WO2012143272A1 - Wärmeübertrageranordnung und verfahren zum erwärmen eines arbeitsgases - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a cageübertrageranord ⁇ tion for heating a working gas for a turbine of a compressed air storage power plant.
  • the present invention relates to a compressed air storage power plant.
  • the present invention relates to a method for heating a working gas for a turbine of a compressed air ⁇ memory power plant.
  • renewable energy sources such as by solar energy or wind energy ⁇ .
  • the power generated by power plants using renewable energy sources fluctuates due to the effects of weather, such as Windän ⁇ alteration or fluctuating sunshine durations.
  • a surplus of energy produced is temporarily stored and, if necessary, retrieved for power generation.
  • Known storage power plant types are, for example, pumped storage power plants and compressed air storage power plants.
  • pumped storage power plant water is pumped with the surplus energy generated in a high-level reservoir. When energy is needed, the water is removed from the high-level NEN memory via downpipes further downstream turbines supplied to operate a power generator.
  • a compressed air storage (CAES) power plant operates with the excess energy a compressor that pumps in compressed air in a pressure space, such as an underground cavern. If there is a higher power demand, the compressed air from the pressure space is used to operate a turbine, which in turn operates a coupled power generator.
  • a compressor that pumps in compressed air in a pressure space, such as an underground cavern. If there is a higher power demand, the compressed air from the pressure space is used to operate a turbine, which in turn operates a coupled power generator.
  • a conventional process of a compressed air storage ⁇ cherkraftwerks is shown.
  • the working fluid for example compressed air
  • the working fluid is supplied to a conventional heat exchanger 500 from a pressure chamber 501, such as an underground cavity, before entering a turbine 502.
  • the working fluid when entering the heat exchanger 500, has a first inlet temperature T E i.
  • the heat exchanger 500 is a first heat energy Q to , i supplied.
  • the object is achieved by a heat exchanger arrangement for heating a working gas for a turbine of a compressed air ⁇ memory power plant, by a compressed air storage power plant and by a method for heating a working gas for a turbine of a compressed air storage power plant according to the inde pendent ⁇ claims.
  • a heat exchanger arrangement for heating a working gas for a turbine of a storage power plant, in particular a compressed air storage power plant.
  • Heat ⁇ trageranaku has a first gas inlet, a first outlet, a second gas intake and a second gas outlet.
  • the first gas inlet is coupled to a pressure chamber, so that a working gas with a first input ⁇ temperature from the pressure chamber to the heat exchanger assembly can be fed.
  • the first gas outlet is LAD ⁇ Pelbar with the turbine, so that the working gas can be supplied with a first Auslasstempe ⁇ temperature of the heat exchanger arrangement to the turbine.
  • the second gas inlet can be coupled to the turbine, so that the working gas can be supplied to the turbine of the heat exchanger arrangement with a second inlet temperature.
  • the second gas outlet can be coupled to the turbine, so that the working gas can be supplied to the turbine with a second outlet temperature from the heat exchanger arrangement.
  • a heating means can be supplied in such a way that the working gas can be heated from the first inlet temperature to the first outlet temperature. The working gas is further heated from the second input temperature to the second outlet temperature by means of a heating means.
  • a compressed air storage power plant has a pressure space, a turbine and the above-described heat exchanger arrangement.
  • a method for heating a working gas for a Turbi ⁇ ne of a compressed air energy storage power plant is described.
  • a first working gas having a first inlet temperature is supplied from a pressure space to a first gas inlet of a heat exchanger arrangement.
  • the working gas is heated from the first inlet temperature to the first outlet temperature by means of a heating means in the heat exchanger assembly.
  • the working gas is supplied to the turbine at a first outlet temperature from the heat exchanger assembly.
  • the working ⁇ gas is heated by the second input temperature to the second outlet by means of a heating medium.
  • the Ar ⁇ gas is supplied with a second outlet temperature of the heat exchanger assembly to the turbine.
  • a compressed air storage power plant which has the above-described pressure chamber, the turbine and the above-described heat exchanger arrangement.
  • the heat exchanger assembly may include one or more heat transfer devices (recuperators).
  • a recuperator is used to preheat the working gas by means of a Wär ⁇ meffens or by several different heat medium.
  • a working gas from a pressure chamber, such as from a
  • the working gas from the pressure chamber has a high pressure.
  • the working gas relaxes, so that the energy of the working gas is converted into mechanical work becomes.
  • the turbine in turn drives a power generator, which generates electricity. If less power is required, the working gas is fed into the pressure chamber, for example by means of a compressor, so that the pressure in the pressure chamber increases. In the pressure chamber, the working gas is stored under high pressure.
  • the turbine has, for example egg ⁇ ne first turbine stage (resp. A first thermodynamic relaxation area), a second turbine stage (or a second thermodynamic relaxation area) or more additional turbine stages (or more thermodynamic Ent ⁇ voltage ranges) on.
  • the second turbine stage is downstream of the first turbine stage with respect to a flow direction of the working gas in the turbine downstream of the first Turbi ⁇ ne or arranged.
  • the working gas is heated in the heat exchanger assembly of the first input temperature (temperature of the working gas in the pressure chamber) to a first outlet temperature, which is higher than the first input Tempe ⁇ rature, by means of a heating means.
  • the working gas for example after the first or the second turbine stage of the turbine, removed and fed to the second gas inlet of the heat exchanger assembly.
  • This interim removal of the working gas from the turbine, the interim heating and the subsequent return of the working gas with the second outlet temperature ⁇ tur leads to an increase in the efficiency of the turbine.
  • the pressure of the working gas between the Ab ⁇ draw-off from the turbine, the supply to the second gas inlet and the supply of the heated working gas is in the second gas outlet, which in turn gekop ⁇ pelt with the turbine, kept almost constant. With such Zvi ⁇ rule warming the efficiency of the turbine is increased.
  • the intermediate heating can be carried out at several turbine stages of the turbine.
  • the working gas can be taken out and fed again to the heat exchanger arrangement.
  • the supplied working gas is heated after ⁇ and supplied as supply air back to the turbine. This increases the efficiency of the turbine.
  • more heat can be drawn into the heat medium in the heat exchanger arrangement and thus an efficient heating of the working gas can be made possible.
  • the heating means can for example be taken from a heat-generating ⁇ the device.
  • the heating means is for example an exhaust gas of a gas turbine.
  • the heat ⁇ meffen be a heated oil or heated water, which is warmed up, for example by solar power.
  • the heat exchanger arrangement further has a further second gas inlet, which can be coupled to the turbine, so that the working gas can be supplied to the heat exchanger arrangement with a further second inlet temperature from the turbine.
  • the heat exchanger arrangement in a further second gas outlet which can be coupled with the turbine, so that the working gas with egg ⁇ ner further second outlet of the heat exchanger arrangement can be fed to the turbine.
  • the heating means can be supplied in such a way that the working gas can be heated from the further second inlet temperature to the further second outlet temperature.
  • a plurality of taps at the turbine can be set at ⁇ play to tap working gas and supplied to the heat exchanger arrangement. The tapped working gas is heated in each case in the heat exchanger arrangement and then fed back to the turbine.
  • the heat exchanger arrangement has a first heat exchanger device.
  • the first heat transfer device has the first gas inlet, the first gas outlet and a first heat medium inlet.
  • the heat exchanger arrangement has a second or a multiplicity of further second heat exchanger devices, which in each case has the second gas inlet, the second gas outlet and a second heat inlet.
  • the first heat transfer device may be structurally separate from the second heat transfer device.
  • the first and the second Heat Transf ⁇ gervoriques may be co-located in a common housing.
  • the first heat medium inlet and the second heat medium inlet can be coupled to a common heat-generating device.
  • the first and the second are configured to share a common heat medium, which is heated by the common blazeer ⁇ forming apparatus.
  • a gas turbine may supply hot exhaust gas to the first heat transfer device and the second heat transfer device.
  • the first heat exchanger device has a heat medium outlet for discharging the heating medium with a first waste heat.
  • the furnishedffenauslass and the second heat medium inlet are coupled together such that the heating means with the first waste heat can be supplied to the second heat medium inlet.
  • the first heat medium inlet can be coupled to the heat-generating device and the second heat medium inlet can be coupled to a further heat-generating device.
  • the first must be operated with a second heat medium.
  • the exhaust gas of a gas turbine can be used as a heat-generating device.
  • exhaust gas of a white ⁇ direct gas turbine and / or hot oil or hot water may, for example, which has been heated more than blazeer ⁇ generating device in a solar power plant, are used.
  • the first gas outlet of the heat exchanger arrangement is coupled to the turbine such that the working gas can be supplied to the first outlet temperature of the first turbine stage.
  • the second gas outlet of the heat exchanger arrangement is coupled to the turbine such that the working gas with the second inlet temperature between the first turbine stage and the second turbine stage can be removed and the heat transfer ⁇ ranix can be fed.
  • the second gas outlet of the heat exchanger assembly ⁇ is coupled to the turbine, that the working gas with the second outlet temperature before the second turbine stage can be fed.
  • the working gas may be mixed with the second exhaust Temperature can also be supplied to a subsequent, arranged after the second turbine stage, turbine stage.
  • a working gas is taken on the one hand from the pressure chamber and heated in the heat exchanger assembly.
  • a working gas is taken on the one hand from the pressure chamber and heated in the heat exchanger assembly.
  • the same heat exchanger arrangement is also another
  • the heat exchanger arrangement is formed from, for example, two or more heat exchanger devices, with a first heat exchanger device (a first recuperator) allowing initial heating of the working gas.
  • a first heat exchanger device a first recuperator
  • a wide ⁇ re Edmontonellervorraum another recuperator
  • receives at the bled from the turbine working gas is heated and the turbine, this leads to the working gas again.
  • this opens up the possibility of operating each heat exchanger device with an associated heat source (heat generating device).
  • the one heat ⁇ transmission device by means of a gas turbine and the other heat exchanger device by means of a solar power plant be ⁇ driven.
  • this opens the possibility that the various heat transfer devices can operate at different temperature levels, since each heating means can have a different temperature.
  • the heat exchanger arrangement ⁇ may comprise a plurality of gas inlets which receive the working gas from the pressure space or from different turbine stages of the turbine to heat the working gas.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a compressed-air storage power plant with a heat exchanger arrangement according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 2 shows air-storage power station is a schematic representation of a printer in which the voltage aboard undergraduatetrageranord ⁇ a plurality of second gas inlets and a plurality of second Gasausläs ⁇ se has guide of the present invention according to an exemplary off;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a compressed air storage power plant with a heat exchanger arrangement, which has a first heat exchanger device and a second heat exchanger device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a compressed air storage power plant according to an exemplary exporting ⁇ approximate shape of the present invention wherein a heat exchanger arrangement a first compartmentübertragervorraum and egg ne second heat transfer device, which are coupled together; and
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a conventional heat exchanger arrangement for a turbine.
  • Fig. 1 shows a heat exchanger arrangement 100 for heating a working gas for a turbine 130 of a Druck Kunststoffspei ⁇ cherkraftwerks 120.
  • a working gas can be taken from a pressure ⁇ space 160, such as an underground cavity and the heat exchanger arrangement 100 to a first gas inlet first with a Temperature T E i be supplied.
  • the heat exchanger assembly 100 is coupled to a heat generating device 140. From the heat generating device 140, a first heat energy supply Q zu , i can be provided.
  • a heat medium such as hot water or hot exhaust gas be ⁇ riding provided a gas turbine, the first heat medium inlet 103rd
  • the working gas passes first to the pressure chamber 160, the heat exchanger arrangement 100 and is discharged to a first training outlet temperature T A i to the first gas outlet 111 of the heat ⁇ transmitter arrangement 100th
  • the working gas is supplied to the turbine 130 at the first outlet temperature T A i.
  • the working gas passes through the individual turbine stages I to III in the direction of flow until it finally flows out of the turbine 130.
  • the energy of the working gas is converted into mechanical ⁇ cal work by means of the turbine 130 and thereby a generator 150, in particular for power generation, operated.
  • the turbine 130 is at least partially removed from the working gas at the second inlet temperature T E 2 and supplied to a second gas inlet 102 of the heat exchanger arrangement 100.
  • the working gas passes through again ⁇ around the heat exchanger arrangement 100 and heated to a second outlet temperature T A 2. From a second gas outlet 112, the working gas with the second outlet temperature TA2 of the turbine 130 is supplied again. This intermediate heating of the working gas increases the efficiency of the turbine 130.
  • the turbine 130 includes a first turbine stage I, a second turbine stage II, and a third turbine stage III (or another plurality of turbine stages).
  • the turbine stages I to III are each arranged successively in the flow direction of the working gas through the turbine 130.
  • the working gas which is partially removed from the pressure ⁇ space 160 and is provided after heating of the first gas outlet 111 with a first outlet temperature T A i, is generally the first turbine stage I supplied.
  • the tapping of the working gas and the supply to the second gas inlet 112 of the heat exchanger assembly 100 usually takes place in one of the following turbine stages II, III. For example, the working gas between see the first turbine stage I and the second Turbinenstu ⁇ Fe II taken and fed to the second gas inlet 102.
  • the working gas After heating of the working gas from the second inlet temperature T E 2 to the second outlet temperature T A 2, the working gas is warmed ⁇ it provides to the second outlet 112 and again overlapge- the turbine 130 is supplied.
  • the working gas with the second outlet temperature T A 2 example, ⁇ near the place of removal, that is supplied in the above example between the first turbine stage I and the second turbine stage II.
  • the heated working gas can also be supplied to a subsequent turbine stage, for example between the second turbine stage II and the third turbine stage III.
  • the heating medium flows through the heat exchanger arrangement 100 and leaves it with a first waste heat Q a b, i.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the present invention, in which the working gas is taken from the turbine 130 at several points and is heated up by means of the heat exchanger arrangement 100.
  • the working gas having a first inlet temperature T E i from the pressure chamber 160 is made available to the first gas inlet 101 of the heat exchanger arrangement 100.
  • the heat exchanger arrangement 100 heated by the heating medium, the Ar ⁇ beitsgas to the first outlet temperature T A i and makes the working gas ⁇ ses ready the first gas outlet 111th From the first gas outlet 111, the thus-heated working gas is supplied to the first turbine stage I.
  • the heating means is again provided by a heat generating device 140 and supplied to the heat medium inlet 103 with a first heat energy Qzu.
  • the working gas is taken from the turbine 130.
  • This working gas is provided at a second inlet temperature T E2 at the second gas inlet 102 of the heat exchanger arrangement 100 and heated therein.
  • the working gas has the second outlet temperature T A2 , which is higher than the second inlet temperature T E2 .
  • the working gas is supplied to the turbine 130 at the second outlet temperature T A2 .
  • the thus heated working gas in the vicinity of the working gas sampling supplied, that is also between the first turbine stage I and the second turbine stage II.
  • the pressure of the working gas is formed between the Ent ⁇ acquisition after the first turbine stage I and re Alloca- tion of the second turbine stage II kept almost constant, thus avoiding energy loss.
  • Fig. 2 shows a further removal (a part of) the working gas to the second turbine stage II.
  • the working ⁇ gas is again drawn off after the second turbine stage II and supplied with a third inlet temperature T E 3 the further second gas inlet 201 of the heat exchanger arrangement 100th
  • the heating medium heats the working gas to the third outlet temperature T A 3.
  • the working gas with the third outlet temperature T A 3 between the second turbine stage II and the third turbine stage III is supplied.
  • a common heat means heat exchanger assembly 100 may inter-warm the working gas between a plurality of turbine stages I-III to thereby produce high turbine 130 efficiency.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the present invention, in which the heat exchanger arrangement 100 has a first heat exchanger device 301 and a second heat exchanger device 302.
  • the first heat exchanger device draws the working gas with the first inlet temperature T E i from the pressure chamber 160. Furthermore, a heat ⁇ medium with a first heat energy Q to , i from the summeerzeu ⁇ ing device 140 at the first heat inlet 103.
  • the working gas flows between the first gas inlet 101 to the first gas outlet 111 and is heated from the first input temperature T E i by means of the heating means to the first outlet temperature T A i. From the first gas outlet 111, the working fluid flows to the turbine 130 and in particular to the first turbine stage I, to operate the Turbi ⁇ ne 130th
  • FIG. 3 shows a second heat transfer device 302.
  • the heat transfer device 302 has the second gas inlet 102 and the second gas outlet 112.
  • the working gas can be tapped and provided by means of the second input temperature T E 2 the second gas inlet 102. After heating the working gas to the second outlet temperature T A 2, the working gas is provided to the second gas outlet 112 and supplied to the turbine 130 again.
  • the working gas is taken from the second turbine stage II and fed again to the subsequent third turbine stage III.
  • the second heat ⁇ tragervoriques 302 may let through a second choirffenein- 303, for example, the heating means with the first heat ⁇ power supply Q to refer i from the heat generating device 140th
  • one and the same heat generating device 140 may supply a plurality of heat transfer devices 301, 302 with heat.
  • a further heat-generating device 340 may be provided, which provides a further heat means with a second heat energy Q to , 2 the further heat medium inlet. After heating the working gas from the second input temperature T E 2 to the second outlet temperature T A 2, the further heating means with a second waste heat Q a b, 2 discharged from the second choirübertrager- device 302.
  • the heat-generating device 140 may represent a gas turbine and supply hot exhaust gas to the first heat exchanger device 301.
  • the further heat generating device 340 may represent, for example a so ⁇ larkraftwerk, and by solar energy a further heating means, such as to heat for example water or oil, and this out as a second thermal energy input Q to, 2 of the second jacketübertragervorraum 302nd
  • Fig. 4 shows a further exemplary embodiment, wel ⁇ che substantially the same features of the execution form of Fig. 3 has.
  • the heat exchanger assembly 100 includes the first heat transfer device 301 and the second heat transfer device 302.
  • the heat medium after it heats the working gas in the first Wär ⁇ meübertragervortechnik 301 with a first waste heat Qab, i dissipated.
  • the cardboardstoffauslass 401 and the second heat medium inlet 303 are in such a manner gekop ⁇ pelt that the heating means with the first waste heat Q ab, i the second heat medium inlet 303 is fed.
  • the heating means with the first waste heat Q a b, i from the first heat exchanger ⁇ device 301 is thus supplied as a heating means with a second heat energy Q to , 2.
  • the heat with ⁇ tel is withdrawn more heat energy in the overall process and the unge ⁇ took advantage of waste heat reduces.
  • the overall efficiency of the heat ⁇ transfer assembly 100 and thus the compressed air storage power ⁇ plant 120 is thereby increased.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung (100) zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine (130) eines Druckluftspeicherkraftwerks (120). Die Wärmeübertrageranordnung (100) weist einen ersten Gaseinlass (101), welcher mit einem Druckraum (160) des Druckluftspeicherkraftwerks (120) koppelbar ist, auf, sodass ein Arbeitsgas mit einer ersten Eingangstemperatur (TE1) von dem Druckraum (160) zu der Wärmeübertrageranordnung (100) zuführbar ist. Ferner weist die Wärmeübertrageranordnung (100) einen ersten Gasauslass (111), welcher mit der Turbine (130) koppelbar ist, auf, sodass das Arbeitsgas mit einer ersten Auslasstemperatur (TA1) von der Wärmeübertrageranordnung (100) zu der Turbine (130) zuführbar ist. Ferner weist die Wärmeübertrageranordnung (100) einen zweiten Gaseinlass (102), welcher mit der Turbine (130) koppelbar ist, auf, sodass das Arbeitsgas mit einer zweiten Eingangstemperatur (TE2) von der Turbine (130) zu der Wärmeübertrageranordnung (100) zuführbar ist. Ferner weist die Wärmeübertrageranordnung (100) einen zweiten Gasauslass (112), welcher mit der Turbine (130) koppelbar ist, auf, sodass das Arbeitsgas mit einer zweiten Auslasstemperatur (TA2) von der Wärmeübertrageranordnung (100) zu der Turbine (130) zuführbar ist. Ein Wärmemittel ist derart zuführbar, dass das Arbeitsgas von der ersten Eingangstemperatur (TE1) auf die erste Auslasstemperatur (TA1) erwärmbar ist und dass das Arbeitsgas von der zweiten Eingangstemperatur (TE2) auf die zweite Auslasstemperatur (TA2) erwärmbar ist.

Description

WÄRMEÜBERTRAGERANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM ERWÄRMEN
EINES ARBEITSGASES
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranord¬ nung zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine eines Druckluftspeicherkraftwerks .
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Druckluftspei- cherkraftwerk .
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine eines Druckluft¬ speicherkraftwerks .
Hintergrund der Erfindung
Der Gesamtstrombedarf vieler Länder wird immer mehr durch regenerative Energiequellen, wie beispielsweise durch Solar¬ energie oder Windenergie, gedeckt. Dies führt zu einer Viel¬ zahl kleinerer dezentraler Kraftwerke, welche mit regenerati¬ ven Energiequellen betrieben werden. Die erzeugte Leistung von Kraftwerken mit regenerativen Energiequellen schwankt aufgrund z.B. der Wettereinflüsse, wie beispielsweise Windän¬ derung oder schwankenden Sonnenscheindauern.
Daher wird bei einer zunehmenden Anzahl von Kraftwerken, welche mit regenerativen Energiequellen betrieben werden, der Einsatz von Speicherkraftwerken erforderlich. In Speicherkraftwerken wird ein produzierter Energieüberschusses zwischengespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung abgerufen. Bekannte Speicherkraftwerkstypen sind beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicherkraftwerke. Bei einem Pumpspeicherkraftwerk wird Wasser mit der überschüssig erzeugten Energie in einem hochgelegenen Wasserspeicher gepumpt. Bei Energiebedarf wird das Wasser aus dem hochgelege- nen Speicher über Fallrohre weiter unterhalb liegenden Turbinen zugeführt, um einen Stromgenerator zu betreiben.
Ein Druckluftspeicherkraftwerk bzw. ein Druckluftspeicher- Gasturbinen-Kraftwerk (CAES-Kraftwerk) betreibt mit dem Ener- gieüberschuss einen Verdichter, welcher Druckluft in einem Druckraum, wie beispielsweise eine unterirdische Kaverne, hineinpumpt. Falls eine höhere Stromnachfrage besteht, wird die Druckluft aus dem Druckraum verwendet, um eine Turbine zu betreiben, welche wiederum einen angekoppelten Stromgenerator betreibt .
Um einen Verlust bei einer Zwischenspeicherung der Energie in Speicherkraftwerken zu reduzieren, ist es notwendig, die Speicherkraftwerke mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustel¬ len. Üblicherweise wird in Druckluftspeicherkraftwerken zur Erhöhung des Wirkungsgrads das Arbeitsmedium vor Eintritt in eine Turbine erwärmt. In Fig. 5 ist ein herkömmlicher Prozess eines Druckluftspei¬ cherkraftwerks dargestellt. Das Arbeitsfluid, beispielsweise Druckluft, wird aus einem Druckraum 501, wie beispielsweise einer unterirdischen Kavität, vor Eintritt in eine Turbine 502 einem herkömmlichen Wärmeübertrager 500 zugeführt. Das Arbeitsfluid weist bei Eintritt in den Wärmeübertrager 500 eine erste Eingangstemperatur TEi auf. Dem Wärmeübertrager 500 wird eine erste Wärmeenergie Qzu, i zugeführt. Mittels der Wärmeenergie Qzu, i wird das Arbeitsfluid auf eine erste Aus¬ lasstemperatur TAi erwärmt. Mit dieser ersten Auslasstempera- tur TAi wird das Arbeitsfluid der Turbine 502 an einer ersten Turbinenstufe zugeführt. Die überschüssige Wärmeenergie in dem Wärmeübertrager 500 wird als erste Abwärme Qab, i abge¬ führt. In der Turbine 502 entspannt sich das Arbeitsfluid und entsprechend eines herkömmlichen Gasturbinenprozesses erzeugt dies mechanische Arbeit, mit welcher ein Generator 503 zur Stromerzeugung betreibbar ist. Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Druckluftspeicherkraftwerk mit einem hohen Wirkungsgrad zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmeübertrageranordnung zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine eines Druckluft¬ speicherkraftwerks, durch ein Druckluftspeicherkraftwerk und durch ein Verfahren zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine eines Druckluftspeicherkraftwerks gemäß den unabhän¬ gigen Ansprüchen gelöst.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmeübertrageranordnung zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine eines Speicherkraftwerks, insbesondere eines Druckluftspeicherkraftwerks beschrieben. Die Wärmeüber¬ trageranordnung weist einen ersten Gaseinlass, einen ersten Gasauslass, einen zweiten Gaseinlass und einen zweiten Ga- sauslass auf. Der erste Gaseinlass ist mit einem Druckraum gekoppelt, so dass ein Arbeitsgas mit einer ersten Eingangs¬ temperatur von dem Druckraum zu der Wärmeübertrageranordnung zuführbar ist. Der erste Gasauslass ist mit der Turbine kop¬ pelbar, so dass das Arbeitsgas mit einer ersten Auslasstempe¬ ratur von der Wärmeübertrageranordnung zu der Turbine zuführbar ist. Der zweite Gaseinlass ist mit der Turbine koppelbar, so dass das Arbeitsgas mit einer zweiten Eingangstemperatur von der Turbine der Wärmeübertrageranordnung zuführbar ist. Der zweite Gasauslass ist mit der Turbine koppelbar, so dass das Arbeitsgas mit einer zweiten Auslasstemperatur von der Wärmeübertrageranordnung zu der Turbine zuführbar ist. Ein Wärmemittel ist derart zuführbar, dass das Arbeitsgas von der ersten Eingangstemperatur auf die erste Auslasstemperatur erwärmbar ist. Das Arbeitsgas ist ferner von der zweiten Eingangstemperatur auf die zweite Auslasstemperatur mittels eines Wärmemittels erwärmbar. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Druckluftspeicherkraftwerk einen Druckraum, eine Turbine und die oben beschriebene Wärmeübertrageranordnung auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbi¬ ne eines Druckluftspeicherkraftwerks beschrieben. Gemäß dem Verfahren wird ein erstes Arbeitsgas mit einer ersten Eingangstemperatur von einem Druckraum zu einem ersten Gasein- lass einer Wärmeübertrageranordnung zugeführt. Das Arbeitsgas wird von der ersten Eingangstemperatur auf die erste Auslasstemperatur mittels eines Wärmemittels in der Wärmeübertrageranordnung erwärmt. Das Arbeitsgas wird mit einer ersten Auslasstemperatur von der Wärmeübertrageranordnung zu der Turbine zugeführt. Ferner wird das Arbeitsgas mit einer zwei¬ ten Eingangstemperatur von der Turbine zu einem zweiten Gas- einlass der Wärmeübertrageranordnung zugeführt. Das Arbeits¬ gas wird von der zweiten Eingangstemperatur auf die zweite Auslasstemperatur mittels eines Wärmemittels erwärmt. Das Ar¬ beitsgas wird mit einer zweiten Auslasstemperatur von der Wärmeübertrageranordnung zu der Turbine zugeführt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form wird ein Druckluftspeicherkraftwerk beschrieben, welches den oben beschriebenen Druckraum, die Turbine und die oben beschriebene Wärmeübertrageranordnung aufweist .
Die Wärmeübertrageranordnung kann einen oder mehrere Wärmeübertragervorrichtungen (Rekuperatoren) aufweisen. Ein Rekuperator dient zum Vorwärmen des Arbeitsgases mittels eines Wär¬ memittels oder mittels mehrerer verschiedener Wärmemittel.
In einem Druckluftspeicherkraftwerk wird ein Arbeitsgas aus einem Druckraum, wie beispielsweise aus einer
unterirdischen Kavität, gefördert und der Turbine zugeführt. Das Arbeitsgas aus dem Druckraum weist einen hohen Druck auf. In der Turbine entspannt sich das Arbeitsgas, so dass die Energie des Arbeitsgases in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Die Turbine wiederum treibt einen Stromgenerator an, welcher Strom erzeugt. Wird weniger Strom benötigt, wird das Arbeitsgas in den Druckraum z.B. mittels eines Verdichters eingespeist, so dass sich der Druck in dem Druckraum erhöht. In dem Druckraum wird das Arbeitsgas unter hohem Druck gespeichert .
Durch Expansion des Arbeitsgases in der Turbine kühlt sich das Arbeitsgas stark ab. Die Turbine weist beispielsweise ei¬ ne erste Turbinenstufe (bzw . einen ersten thermodynamischen Entspannungsbereich) , eine zweite Turbinenstufe (bzw. einen zweiten thermodynamischen Entspannungsbereich) oder mehrere weitere Turbinenstufen (bzw. weitere thermodynamische Ent¬ spannungsbereiche) auf. Die zweite Turbinenstufe ist dabei der ersten Turbinenstufe bezüglich einer Flussrichtung des Arbeitsgases in der Turbine stromabwärts zu der ersten Turbi¬ ne nachgeschaltet bzw. angeordnet.
Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird das Arbeitsgas in der Wärmeübertrageranordnung von der ersten Eingangstemperatur (Temperatur des Arbeitsgases in dem Druckraum) auf eine erste Auslasstemperatur, welche höher als die erste Eingangstempe¬ ratur ist, mittels eines Wärmemittels erwärmt.
Zudem wird das Arbeitsgas, zum Beispiel nach der ersten oder der zweiten Turbinenstufe der Turbine, entnommen und dem zweiten Gaseinlass der Wärmeübertrageranordnung zugeführt. Die Wärmeübertrageranordnung erwärmt mittels des Wärmemittels das Arbeitsgas von einer zweiten Eingangstemperatur auf eine zweite Auslasstemperatur, welche höher als die zweite Eingangstemperatur ist, und führt das Arbeitsgas erneut der Tur¬ bine zu. Diese zwischenzeitliche Entnahme des Arbeitsgases aus der Turbine, der Zwischenerwärmung und der anschließenden Rückführung des Arbeitsgases mit der zweiten Auslasstempera¬ tur führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Turbine. Insbesondere wird der Druck des Arbeitsgases zwischen der Ab¬ zapfung von der Turbine, der Zuführung zu dem zweiten Gaseinlass und der Zuführung des erwärmten Arbeitsgases an den zweiten Gasauslass, welcher mit der Turbine wiederum gekop¬ pelt ist, nahezu konstant gehalten. Mit einer solchen Zwi¬ schenerwärmung wird der Wirkungsgrad der Turbine erhöht. Die Zwischenerwärmung kann bei mehreren Turbinenstufen der Turbine durchgeführt werden.
Mit anderen Worten kann gemäß der vorliegenden Erfindung an einem bestimmten Punkt des Expans onsprozesses des Arbeitsga- ses in der Turbine das Arbeitsgas entnommen werden und nochmals der Wärmeübertrageranordnung zugeführt werden. In der Wärmeübertrageranordnung wird das zugeführte Arbeitsgas nach¬ erhitzt und als Zuluft wieder der Turbine zugeführt. Dies er- höht den Wirkungsgrad der Turbine Bei gleicher Grädigkeit der Wärmeübertrageranordnung kann dem Wärmemittel in der Wär- meübertrageranordnung mehr Wärme ntzogen werden und somit ein effizientes Erwärmen des Arbe tsgases ermöglicht werden.
Das Wärmemittel kann beispielsweise aus einer wärmeerzeugen¬ den Vorrichtung entnommen werden. Das Wärmemittel ist beispielsweise ein Abgas einer Gasturbine. Ferner kann das Wär¬ memittel ein erhitztes Öl oder erhitztes Wasser sein, welches beispielsweise mittels Solarkraft aufgewärmt ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form der vorliegenden Erfindung weist die Wärmeübertrageranordnung ferner einen weiteren zweiten Gaseinlass, welcher mit der Turbine koppelbar ist, auf, so dass das Arbeitsgas mit einer weiteren zweiten Eingangstemperatur von der Turbine zu der Wärmeübertrageranordnung zuführbar ist. Ferner weist die Wärmeübertrageranordnung einen weiteren zweiten Gasauslass auf, welcher mit der Turbine koppelbar ist, so dass das Arbeitsgas mit ei¬ ner weiteren zweiten Auslasstemperatur von der Wärmeübertrageranordnung zu der Turbine zuführbar ist. Das Wärmemittel ist derart zuführbar, dass das Arbeitsgas von der weiteren zweiten Eingangstemperatur auf die weitere zweite Auslasstemperatur erwärmbar ist. Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann bei¬ spielsweise eine Vielzahl von Abzapfungen an der Turbine eingerichtet werden, um Arbeitsgas abzuzapfen und der Wärmeübertrageranordnung zuzuführen. Das abgezapfte Arbeitsgas wird jeweils in der Wärmeübertrageranordnung erwärmt und anschließend wieder der Turbine zugeführt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist die Wärmeübertrageranordnung eine erste Wärmeübertragervorrichtung auf. Die erste Wärmeübertragervorrichtung weist den ersten Gaseinlass, den ersten Gasauslass und einen ersten Wärme- mitteleinlass auf. Ferner weist die Wärmeübertrageranordnung eine zweite oder eine Vielzahl von weiteren zweiten Wärmeübertragervorrichtungen auf, welche jeweils den zweiten Gaseinlass, den zweiten Gasauslass und einen zweiten Wärmemit- teleinlass aufweist. Die erste Wärmeübertragervorrichtung kann baulich getrennt von der zweiten Wärmeübertragervorrichtung angeordnet sein. Ferner können die erste Wärmeübertra¬ gervorrichtung und die zweite Wärmeübertragervorrichtung gemeinsam in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form sind der erste Wärmemitteleinlass und der zweite Wärmemitteleinlass mit einer gemeinsamen wärmeerzeugenden Vorrichtung koppelbar. Beispielsweise können sich die erste Wärmeübertragervorrichtung und die zweite Wärmeübertragervorrichtung ein gemeinsames Wärmemittel teilen, welches durch die gemeinsame wärmeer¬ zeugende Vorrichtung erhitzt wird. Beispielsweise kann als wärmeerzeugende Vorrichtung eine Gasturbine heißes Abgas der ersten Wärmeübertragervorrichtung und der zweiten Wärmeübertragervorrichtung zuführen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist die erste Wärmeübertragervorrichtung einen Wärmemittelauslass zum Auslassen des Wärmemittels mit einer ersten Abwärme auf. Der Wärmemittelauslass und der zweite Wärmemitteleinlass sind derart miteinander gekoppelt, dass das Wärmemittel mit der ersten Abwärme dem zweiten Wärmemitteleinlass zuführbar ist. Somit wird die Grädigkeit der Wärmeübertrageranordnung, ins- besondere der erste Wärmeübertragervorrichtung und der zweiten Wärmeübertragervorrichtung, verbessert. Das Wärmemittel, welches mit der ersten Abwärme aus der ersten Wärme¬ Übertragervorrichtung austritt, kann effizient als Wärmemit¬ tel für die zweite Wärmeübertragervorrichtung verwendet wer- den. Der Gesamtwirkungsgrad der Wärmeübertrageranordnung wird dadurch erhöht.
Zusätzlich oder alternativ ist in einer weiteren beispielhaften Aus führungs form der erste Wärmemitteleinlass mit der wärmeerzeugenden Vorrichtung koppelbar und der zweite Wärmemitteleinlass mit einer weiteren wärmeerzeugenden Vorrichtung koppelbar. So kann beispielsweise die erste Wärmeübertragervorrichtung mit einem ersten Wärmemittel und die zweite Wär¬ meübertragervorrichtung mit einem zweiten Wärmemittel betrieben werden.
Als erstes Wärmemittel kann beispielsweise das Abgas einer Gasturbine als wärmeerzeugende Vorrichtung verwendet werden. Als weiteres Wärmemittel kann beispielsweise Abgas einer wei¬ teren Gasturbine und/oder heißes Öl oder ein heißes Wasser welches z.B. in einer Solarkraftanlage als weitere wärmeer¬ zeugende Vorrichtung erwärmt wurde, verwendet werden.
Der erste Gasauslass der Wärmeübertrageranordnung ist derart mit der Turbine gekoppelt, dass das Arbeitsgas mit der ersten Auslasstemperatur der ersten Turbinenstufe zuführbar ist. Der zweite Gasauslass der Wärmeübertrageranordnung ist derart mit der Turbine gekoppelt, dass das Arbeitsgas mit der zweiten Einlasstemperatur zwischen der ersten Turbinenstufe und der zweiten Turbinenstufe entnehmbar ist und der Wärmeübertrage¬ ranordnung zuführbar ist. Der zweite Gasauslass der Wärme¬ übertrageranordnung ist derart mit der Turbine gekoppelt, dass das Arbeitsgas mit der zweiten Auslasstemperatur vor der zweiten Turbinenstufe zuführbar ist. In einer beispielhaften Aus führungs form kann das Arbeitsgas mit der zweiten Auslass- temperatur auch einer nachfolgenden, nach der zweiten Turbinenstufe angeordneten, Turbinenstufe zuführbar sein.
Mit der oben beschriebenen Erfindung werden zusammenfassend verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert, mit welchen der Wirkungsgrad einer Turbine in einem Druckluftspeicherkraft¬ werk erhöht wird. Gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform wird ein Arbeitsgas einerseits aus dem Druckraum entnommen und in der Wärmeübertrageranordnung erwärmt. In derselben Wärmeübertrageranordnung wird ferner ein weiteres
Arbeitsgas, welches aus der Turbine abgezapft worden ist, zu¬ geführt und in derselben Wärmeübertrageranordnung erwärmt.
In einer weiteren beispielhaften Aus führungsform wird die Wärmeübertrageranordnung aus beispielsweise zwei oder mehreren Wärmeübertragervorrichtungen gebildet, wobei eine erste Wärmeübertragervorrichtung (ein erster Rekuperator) eine erstmalige Erwärmung des Arbeitsgases ermöglicht. Eine weite¬ re Wärmeübertragervorrichtung (ein weiterer Rekuperator) er- hält das von der Turbine abgezapfte Arbeitsgas, erwärmt dies und führt das Arbeitsgas erneut der Turbine zu. Bei der Aus¬ führungsform mit unterschiedlichen Wärmeübertragervorrichtungen eröffnet dies die Möglichkeit, jede Wärmeübertragervor¬ richtung mit einer zugehörigen Wärmequelle (wärmeerzeugenden Vorrichtung) zu bedienen. Beispielsweise kann die eine Wärme¬ übertragervorrichtung mittels einer Gasturbine und die andere Wärmeübertragervorrichtung mittels eines Solarkraftwerks be¬ trieben werden. Zudem eröffnet dies die Möglichkeit, dass die verschiedenen Wärmeübertragervorrichtungen auf verschiedenen Temperaturniveaus arbeiten können, da jedes Wärmemittel eine unterschiedliche Temperatur aufweisen kann.
Gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er¬ findung kann die Wärmeübertrageranordnung eine Vielzahl von Gaseinlässen aufweisen, welche das Arbeitsgas aus dem Druckraum oder aus verschiedenen Turbinenstufen der Turbine erhalten, um das Arbeitsgas zu erwärmen. Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Aus führungs formen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Aus führungs formen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben .
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Druck- luftspeicherkraftwerks mit einer Wärmeübertrageranordnung gemäß einer beispielhaften Aus führungs form der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Druck- luftspeicherkraftwerks , bei welchem die Wärmeübertrageranord¬ nung mehrere zweite Gaseinlässe und mehrere zweite Gasausläs¬ se gemäß einer beispielhaften Aus führungs form der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Druck- luftspeicherkraftwerks mit einer Wärmeübertrageranordnung, welche eine erste Wärmeübertragervorrichtung und eine zweite Wärmeübertragervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig.4 zeigt eine schematische Darstellung eines Druck- luftspeicherkraftwerks gemäß einer beispielhaften Ausfüh¬ rungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Wärmeübertrageranordnung eine erste Wärmeübertragervorrichtung und ei- ne zweite Wärmeübertragervorrichtung aufweist, welche miteinander gekoppelt sind; und
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömm- liehen Wärmeübertrageranordnung für eine Turbine.
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsfor¬ men Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt eine Wärmeübertrageranordnung 100 zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine 130 eines Druckluftspei¬ cherkraftwerks 120. Ein Arbeitsgas kann aus einem Druck¬ raum 160, wie beispielsweise einer unterirdischen Kavität, entnommen werden und der Wärmeübertrageranordnung 100 an einem ersten Gaseinlass mit einer ersten Temperatur TEi zuge- führt werden. Ferner ist die Wärmeübertrageranordnung 100 mit einer wärmeerzeugenden Vorrichtung 140 gekoppelt. Von der wärmeerzeugenden Vorrichtung 140 kann eine erste Wärmeenergiezufuhr Qzu, i bereitgestellt werden. Insbesondere wird ein Wärmemittel, wie beispielsweise heißes Wasser oder heißes Ab- gas einer Gasturbine, dem ersten Wärmemitteleinlass 103 be¬ reitgestellt .
Das Arbeitsgas durchläuft zunächst nach dem Druckraum 160 die Wärmeübertrageranordnung 100 und wird mit einer ersten Aus- lasstemperatur TAi an dem ersten Gasauslass 111 der Wärme¬ übertrageranordnung 100 abgeführt. Das Arbeitsgas wird mit der ersten Auslasstemperatur TAi der Turbine 130 zugeführt. Das Arbeitsgas durchläuft in Flussrichtung die einzelnen Turbinenstufen I bis III, bis es final aus der Turbine 130 aus- strömt. Dabei wird die Energie des Arbeitsgases in mechani¬ sche Arbeit mittels der Turbine 130 umgewandelt und dadurch ein Generator 150, insbesondere zur Stromerzeugung, betrieben . Zur Wirkungsgraderhöhung wird der Turbine 130 das Arbeitsgas mit der zweiten Eingangstemperatur TE2 zumindest teilweise entnommen und einem zweiten Gaseinlass 102 der Wärmeübertra- geranordnung 100 zugeführt. Das Arbeitsgas durchläuft wieder¬ um die Wärmeübertrageranordnung 100 und erwärmt sich auf eine zweite Auslasstemperatur TA2. Von einem zweiten Gasauslass 112 wird das Arbeitsgas mit der zweiten Auslasstemperatur TA2 der Turbine 130 erneut zugeführt. Diese Zwischenerwärmung des Arbeitsgases erhöht den Wirkungsgrad der Turbine 130.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Turbine 130 eine erste Turbinenstufe I, eine zweite Turbinenstufe II und eine dritte Turbinenstufe III (oder eine weitere Vielzahl von Turbinen- stufen) auf. Die Turbinenstufen I bis III sind jeweils nacheinander in Strömungsrichtung des Arbeitsgases durch die Turbine 130 angeordnet. Das Arbeitsgas, welches aus dem Druck¬ raum 160 teilweise entnommen wird und nach Erwärmung von dem ersten Gasauslass 111 mit einer ersten Auslasstemperatur TAi bereitgestellt wird, wird generell der ersten Turbinenstufe I zugeführt. Die Abzapfung des Arbeitsgases und die Zuführung zu dem zweiten Gaseinlass 112 der Wärmeübertrageranordnung 100 findet üblicherweise in einer der nachfolgenden Turbinenstufen II, III statt. Beispielsweise wird das Arbeitsgas zwi- sehen der ersten Turbinenstufe I und der zweiten Turbinenstu¬ fe II entnommen und dem zweiten Gaseinlass 102 zugeführt. Nach Erwärmung des Arbeitsgases von der zweiten Eingangstemperatur TE2 auf die zweite Auslasstemperatur TA2 wird das er¬ wärmte Arbeitsgas an dem zweiten Gasauslass 112 bereitge- stellt und erneut der Turbine 130 zugeführt. Dabei wird das Arbeitsgas mit der zweiten Auslasstemperatur TA2 beispiels¬ weise nahe dem Ort der Entnahme, d.h. in dem obigen Beispiel zwischen der ersten Turbinenstufe I und der zweiten Turbinenstufe II zugeführt. Alternativ kann das erwärmte Arbeitsgas auch einer nachfolgenden Turbinenstufe zugeführt werden, beispielsweise zwischen der zweiten Turbinenstufe II und der dritten Turbinenstufe III. Das Wärmemittel durchströmt die Wärmeübertrageranordnung 100 und verlässt diese mit einer ersten Abwärme Qab,i.
Fig. 2 zeigt eine weitere beispielhafte Aus führungs form der vorliegenden Erfindung, bei welcher das Arbeitsgas an mehreren Stellen der Turbine 130 entnommen wird und mittels der Wärmeübertrageranordnung 100 zwischenerwärmt wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, wird zunächst mit der Wärmeübertrageran¬ ordnung 100 das Arbeitsgas mit einer ersten Eingangstempera- tur TEi von dem Druckraum 160 dem ersten Gaseinlass 101 der Wärmeübertrageranordnung 100 bereitgestellt. Die Wärmeübertrageranordnung 100 erwärmt mittels des Wärmemittels das Ar¬ beitsgas auf die erste Auslasstemperatur TAi und stellt die¬ ses Arbeitsgas dem ersten Gasauslass 111 bereit. Von dem ers- ten Gasauslass 111 wird das so erwärmte Arbeitsgas der ersten Turbinenstufe I zugeführt.
Das Wärmemittel wird wiederum durch eine wärmeerzeugende Vor¬ richtung 140 bereitgestellt und mit einer ersten Wärmeenergie Qzu,i dem Wärmemitteleinlass 103 zugeführt.
Nach der ersten Turbinenstufe I wird (ein Teil) des Arbeits¬ gases der Turbine 130 entnommen. Dieses Arbeitsgas wird mit einer zweiten Eingangstemperatur TE2 an dem zweiten Gasein- lass 102 der Wärmeübertrageranordnung 100 bereitgestellt und in dieser erwärmt. An einem zweiten Gasauslass 112 weist das Arbeitsgas die zweite Auslasstemperatur TA2 auf, welche höher als die zweite Eingangstemperatur TE2 ist. Das Arbeitsgas wird mit der zweiten Auslasstemperatur TA2 der Turbine 130 zugeführt. Insbesondere wird das so erwärmte Arbeitsgas in der Nähe der Arbeitsgasentnahme zugeführt, d.h. ebenfalls zwischen der ersten Turbinenstufe I und der zweiten Turbinenstufe II. Der Druck des Arbeitsgases wird zwischen der Ent¬ nahme nach der ersten Turbinenstufe I und der erneuten Zufüh- rung der zweiten Turbinenstufe II nahezu konstant gehalten, um somit einen Energieverlust zu vermeiden. Ferner zeigt Fig. 2 eine weitere Entnahme (eines Teils) des Arbeitsgases nach der zweiten Turbinenstufe II. Das Arbeits¬ gas wird nach der zweiten Turbinenstufe II erneut abgezapft und mit einer dritten Eingangstemperatur TE3 dem weiteren zweiten Gaseinlass 201 der Wärmeübertrageranordnung 100 zugeführt. Das Wärmemittel erwärmt das Arbeitsgas auf die dritte Auslasstemperatur TA3. Von einem weiteren zweiten Gasauslass 202 wird das Arbeitsgas mit der dritten Auslasstemperatur TA3 zwischen der zweite Turbinenstufe II und der dritten Turbi- nenstufe III zugeführt.
Somit kann eine Wärmeübertrageranordnung 100 mit einem gemeinsamen Wärmemittel das Arbeitsgas zwischen einer Vielzahl von Turbinenstufen I bis III zwischenerwärmen, um somit eine hohe Effizienz der Turbine 130 zu erzeugen. Das Wärmemittel verlässt die Wärmeübertrageranordnung 100 mit einer ersten Abwärme Qab,i- Da das Wärmemittel mehrere Durchgänge des Ar¬ beitsgases durch die Wärmeübertrageranordnung 100, wie in Fig. 2 dargestellt, erwärmt, kann das Wärmemittel mehr Wärme- energie an das Arbeitsgas abgeben, so dass dadurch die Effi¬ zienz der Wärmeübertrageranordnung 100 erhöht wird.
Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Aus führungs form der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Wärmeübertrageranord- nung 100 eine erste Wärmeübertragervorrichtung 301 und eine zweite Wärmeübertragervorrichtung 302 aufweist.
Die erste Wärmeübertragervorrichtung bezieht das Arbeitsgas mit der ersten Eingangstemperatur TEi aus dem Druckraum 160. Ferner wird an dem ersten Wärmemitteleinlass 103 ein Wärme¬ mittel mit einer ersten Wärmeenergie Qzu,i von der wärmeerzeu¬ genden Vorrichtung 140 bezogen. In der ersten Wärmeübertragervorrichtung 301 strömt das Arbeitsgas zwischen dem ersten Gaseinlass 101 zu dem ersten Gasauslass 111 und wird von der ersten Eingangstemperatur TEi mittels des Wärmemittels auf die erste Auslasstemperatur TAi erwärmt. Von dem ersten Gasauslass 111 strömt das Arbeitsmittel zu der Turbine 130 und insbesondere zu der ersten Turbinenstufe I, um die Turbi¬ ne 130 zu betreiben.
Nachdem das Wärmemittel das Arbeitsgas auf die erste Auslass- temperatur TAi erwärmt hat, wird dies mit einer ersten Abwär¬ me Qab,i abgeführt.
Ferner zeigt Fig. 3 eine zweite Wärmeübertragervorrichtung 302. Die Wärmeübertragervorrichtung 302 weist den zweiten Gaseinlass 102 und den zweiten Gasauslass 112 auf. Von der
Turbine 130 kann das Arbeitsgas abgezapft werden und mittels der zweiten Eingangstemperatur TE2 dem zweiten Gaseinlass 102 bereitgestellt werden. Nach Erwärmung des Arbeitsgases auf die zweite Auslasstemperatur TA2 wird das Arbeitsgas dem zweiten Gasauslass 112 bereitgestellt und erneut der Turbine 130 zugeführt.
Gemäß Fig. 3 wird beispielsweise das Arbeitsgas der zweiten Turbinenstufe II entnommen und der anschließenden dritten Turbinenstufe III erneut zugeführt. Die zweite Wärmeüber¬ tragervorrichtung 302 kann über einen zweiten Wärmemittelein- lass 303 beispielsweise das Wärmemittel mit der ersten Wärme¬ energiezufuhr Qzu,i aus der wärmeerzeugenden Vorrichtung 140 beziehen. In diesem Ausführungsbeispiel kann ein und dieselbe wärmeerzeugende Vorrichtung 140 eine Vielzahl von Wärmeübertragervorrichtungen 301, 302 mit Wärmemittel versorgen.
Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise eine weitere wärmeerzeugende Vorrichtung 340 vorgesehen werden, welche ein weiteres Wärmemittel mit einer zweiten Wärmeenergie Qzu,2 dem weiteren Wärmemitteleinlass bereitstellt. Nach Erwärmung des Arbeitsgases von der zweiten Eingangstemperatur TE2 auf die zweite Auslasstemperatur TA2 wird das weitere Wärmemittel mit einer zweiten Abwärme Qab,2 aus der zweiten Wärmeübertrager- Vorrichtung 302 abgeführt.
Mit diesem Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, meh¬ rere unterschiedliche wärmeerzeugende Vorrichtungen 140, 340 zu verwenden. Beispielsweise kann die wärmeerzeugende Vor¬ richtung 140 eine Gasturbine darstellen und heißes Abgas der ersten Wärmeübertragervorrichtung 301 zuführen. Die weitere wärmeerzeugende Vorrichtung 340 kann beispielsweise ein So¬ larkraftwerk darstellen, und durch Solarenergie ein weiteres Wärmemittel, wie beispielsweise Wasser oder Öl zu erwärmen, und dieses als zweite Wärmeenergiezufuhr Qzu,2 der zweiten Wärmeübertragervorrichtung 302 zuführen.
Fig. 4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform, wel¬ che im Wesentlichen dieselben Merkmale der Ausführungs form aus Fig. 3 aufweist. Die Wärmeübertrageranordnung 100 weist die erste Wärmeübertragervorrichtung 301 und die zweite Wärmeübertragervorrichtung 302 auf.
Zusätzlich oder alternativ zu der beispielhaften Ausführungsform aus Fig. 3 zeigt die beispielhafte Ausführungs form aus Fig. 4 einen Wärmemittelauslass 401 der ersten Wärmeübertragervorrichtung 301. Über den Wärmemittelauslass 401 wird das Wärmemittel, nachdem es das Arbeitsgas in der ersten Wär¬ meübertragervorrichtung 301 erwärmt hat, mit einer ersten Abwärme Qab,i abgeführt. Der Wärmemittelauslass 401 und der zweite Wärmemitteleinlass 303 sind derart miteinander gekop¬ pelt, dass das Wärmemittel mit der ersten Abwärme Qab,i dem zweiten Wärmemitteleinlass 303 zuführbar ist. Das Wärmemittel mit der ersten Abwärme Qab,i aus der ersten Wärmeübertrager¬ vorrichtung 301 wird somit als ein Wärmemittel mit einer zweiten Wärmeenergie Qzu,2 zugeführt. Somit wird dem Wärmemit¬ tel im Gesamtprozess mehr Wärmeenergie entzogen und die unge¬ nützte Abwärme reduziert. Der Gesamtwirkungsgrad der Wärme¬ übertrageranordnung 100 und somit des Druckluftspeicherkraft¬ werks 120 wird dadurch erhöht.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine an¬ deren Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewie¬ sen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden kön¬ nen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeübertrageranordnung (100) zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine (130) eines Druckluftspeicher- kraftwerks (120), die Wärmeübertrageranordnung (100) aufweisend
einen ersten Gaseinlass (101), welcher mit einem Druckraum (160) des Druckluftspeicherkraftwerks (120) koppelbar ist, sodass ein Arbeitsgas mit einer ersten Eingangstempera- tur (TEi) von dem Druckraum (160) zu der Wärmeübertrageranordnung (100) zuführbar ist,
einen ersten Gasauslass (111), welcher mit der Turbine (130) koppelbar ist, sodass das Arbeitsgas mit einer ersten Auslasstemperatur (TAi) von der Wärmeübertrageranordnung (100) zu der Turbine (130) zuführbar ist,
einen zweiten Gaseinlass (102), welcher mit der Turbine (130) koppelbar ist, sodass das Arbeitsgas mit einer zweiten Eingangstemperatur ( E2) von der Turbine (130) zu der Wärme¬ übertrageranordnung (100) zuführbar ist,
einen zweiten Gasauslass (112), welcher mit der Turbine
(130) koppelbar ist, sodass das Arbeitsgas mit einer zweiten Auslasstemperatur (T^) von der Wärmeübertrageranordnung (100) zu der Turbine (130) zuführbar ist,
wobei ein Wärmemittel derart zuführbar ist, dass a) das Arbeitsgas von der ersten Eingangstemperatur
(TEi) auf die erste Auslasstemperatur (TAi) erwärmbar ist, und b) das Arbeitsgas von der zweiten Eingangstemperatur (TE2) auf die zweite Auslasstemperatur (T^) erwärmbar ist.
2. Wärmeübertrageranordnung (100) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend
einen weiteren zweiten Gaseinlass (201), welcher mit der Turbine (130) koppelbar ist, sodass das Arbeitsgas mit einer weiteren zweiten Eingangstemperatur (TE3) von der Turbine (130) zu der Wärmeübertrageranordnung (100) zuführbar ist, und
einen weiteren zweiten Gasauslass (202), welcher mit der Turbine (130) koppelbar ist, sodass das Arbeitsgas mit einer weiteren zweiten Auslasstemperatur (ΤΆ2) von der Wärmeübertrageranordnung (100) zu der Turbine (130) zuführbar ist, wobei das Wärmemittel derart zuführbar ist, dass c) das Arbeitsgas von der weiteren zweiten Eingangs- temperatur (ΤΈ3) auf die weitere zweite Auslasstemperatur (TA3) erwärmbar ist.
3. Wärmeübertrageranordnung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend
eine erste Wärmeübertragervorrichtung (301), welche den ersten Gaseinlass (101), den ersten Gasauslass (111) und ei¬ nen ersten Wärmemitteleinlass (103) aufweist, und
eine zweite Wärmeübertragervorrichtung (302), welche den zweiten Gaseinlass (102), den zweiten Gasauslass (112) und einen zweiten Wärmemitteleinlass (303) aufweist.
4. Wärmeübertrageranordnung (100) gemäß Anspruch 3,
wobei der erste Wärmemitteleinlass (103) und der zweite Wärmemitteleinlass (303) mit einer wärmeerzeugenden Vorrich- tung (140) koppelbar sind.
5. Wärmeübertrageranordnung (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Wärmeübertragervorrichtung (301) einen
Wärmemittelauslass (401) zum Auslassen des Wärmemittels mit einer ersten Abwärme (Qab,i) aufweist,
wobei der Wärmemittelauslass (401) und der zweite
Wärmemitteleinlass (303) derart miteinander gekoppelt sind, dass das Wärmemittel mit der ersten Abwärme (Qab,i) dem zwei¬ ten Wärmemitteleinlass (303) zuführbar ist.
6. Wärmeübertrageranordnung (100) gemäß Anspruch 3,
wobei der erste Wärmemitteleinlass (103) mit einer wär¬ meerzeugenden Vorrichtung (140) koppelbar ist, und
wobei der zweite Wärmemitteleinlass (303) mit einer wei- teren wärmeerzeugenden Vorrichtung (340) koppelbar ist.
7. Druckluftspeicherkraftwerk (120), aufweisend
einen Druckraum (160), eine Turbine (130), und
eine Wärmeübertrageranordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Druckluftspeicherkraftwerk (120) nach Anspruch 7,
wobei die Turbine (130) eine erste Turbinenstufe (I) und eine zweite Turbinenstufe (II) aufweist, wobei die zweite Turbinenstufe (II) bezüglich einer Flussrichtung des Arbeits¬ gases in der Turbine (130) stromabwärts zu der ersten Turbi- nenstufe (I) angeordnet ist,
wobei der erste Gasauslass (111) der Wärmeübertrageranordnung (100) derart mit der Turbine (130) gekoppelt ist, dass das Arbeitsgas mit der ersten Auslasstemperatur (TAi ) der ersten Turbinenstufe (I) zuführbar ist,
wobei der zweite Gaseinlass (102) der Wärmeübertrageranordnung (100) derart mit der Turbine (130) gekoppelt ist, dass das Arbeitsgas mit der zweiten Einlasstemperatur zwischen der ersten Turbinenstufe (I) und der zweiten Turbinenstufe (II) entnehmbar ist und der Wärmeübertrageranordnung (100) zuführbar ist, und
wobei der zweite Gasauslass (112) der Wärmeübertrageranordnung (100) derart mit der Turbine (130) gekoppelt ist, dass das Arbeitsgas mit der zweiten Auslasstemperatur (T^) der zweiten Turbinenstufe (II) zuführbar ist.
9. Druckluftspeicherkraftwerk (120) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Druckraum (160) in einer unterirdischen Kavi- tät ausgebildet ist.
10. Verfahren zum Erwärmen eines Arbeitsgases für eine Turbine (130) eines Druckluftspeicherkraftwerks (120), das Ver¬ fahren aufweisend
Zuführen des Arbeitsgases mit einer ersten Eingangstemperatur (TEi ) von einem Druckraum (160) des Druckluftspei- cherkraftwerks (120) zu einem ersten Gaseinlass (101) einer Wärmeübertrageranordnung (100), Erwärmen des Arbeitsgases von der ersten Eingangstempe¬ ratur (TEi) auf eine erste Auslasstemperatur (TAi) mittels ei¬ nes Wärmemittels,
Zuführen des Arbeitsgases mit der ersten Auslasstempera- tur (TAi) von der Wärmeübertrageranordnung (100) zu der Turbine (130) ,
Zuführen des Arbeitsgases mit einer zweiten Eingangstemperatur ( E2) von der Turbine (130) zu einem zweiten Gasein- lass (102) der Wärmeübertrageranordnung (100),
Erwärmen des Arbeitsgases von der zweiten Eingangstempe¬ ratur (TE2) auf eine zweite Auslasstemperatur (T^) mittels des Wärmemittels, und
Zuführen des Arbeitsgases mit der zweiten Auslasstempe¬ ratur (TA2) von der Wärmeübertrageranordnung (100) zu der Turbine (130) .
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