WO2025219067A1 - Heizungssystem mit hochtemperaturwärmespeicher - Google Patents

Heizungssystem mit hochtemperaturwärmespeicher

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WO2025219067A1
WO2025219067A1 PCT/EP2025/058834 EP2025058834W WO2025219067A1 WO 2025219067 A1 WO2025219067 A1 WO 2025219067A1 EP 2025058834 W EP2025058834 W EP 2025058834W WO 2025219067 A1 WO2025219067 A1 WO 2025219067A1
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WO
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temperature heat
furnace
gas
heating
heating system
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PCT/EP2025/058834
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English (en)
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Klaus Weinzierl
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Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Germany GmbH
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid

Definitions

  • the present invention is based on a heating system
  • the heating system comprising a high-temperature heat storage unit and a furnace
  • the high-temperature heat storage device is a heat storage device in which a storage material located in the heat storage device can be heated to temperatures of 1000 °C and more,
  • the heating system for heating a material located in the furnace comprises a first line system via which the high-temperature heat storage device and the furnace are fluidically connected to one another, so that in the first line system a gas can be guided from the high-temperature heat storage device to the furnace and back in a first closed circuit,
  • the heating system comprises an inductive heating device by means of which thermal energy can be supplied to the high-temperature heat storage device
  • the gas is inert with respect to contact surfaces of the storage material located in the high-temperature heat storage device, with respect to an inductively heated heating element located in the heating device and with respect to the material located in the furnace,
  • Such a heating system is known, for example, from WO 96/17215 A1 or the corresponding EP 0 750 170 A1.
  • DE 102008 044280 A1 discloses a continuous-flow heater for the household sector.
  • a medium to be heated is passed through a continuous-flow heater containing a heating element around which the medium flows or through.
  • the medium can be a gas or a liquid.
  • the heating element is made of an electrically conductive material and is indirectly heated inductively via a coil, allowing it to transfer its heat to the medium.
  • EP 2 738 502 A1 discloses a bell-type annealing furnace in which several coils are arranged.
  • a protective gas circulates in the bell-type annealing furnace, which can alternatively be len burner or electrically.
  • a high-temperature heat storage device is not mentioned.
  • the electrical heating is not inductive, but rather via radiant heaters.
  • DE 102021 128 851 A1 discloses a heating system in which a rolled stock is heated in a furnace. Heating occurs using a transport medium, which may consist of carbon dioxide and water vapor. The transport medium is heated by concentrated solar radiation. Additionally, a heat storage device may be provided in which heat can be temporarily stored and later transferred to the stock in the furnace.
  • a transport medium which may consist of carbon dioxide and water vapor. The transport medium is heated by concentrated solar radiation.
  • a heat storage device may be provided in which heat can be temporarily stored and later transferred to the stock in the furnace.
  • WO 2020/239288 A1 discloses a system comprising a high-temperature heat storage device.
  • a storage material is heated by an inductive heating device.
  • a fluid flows through the high-temperature heat storage device, which is integrated into a cycle with another device.
  • the fluid is used to drive a turbine with a downstream generator.
  • Storage elements located in the high-temperature heat storage device can be spherical and, as required, made of ceramic or steel.
  • the production of iron and steel requires large amounts of heat at high temperatures.
  • slabs are heated in a furnace to temperatures of 1000°C and above before being rolled in a roughing mill and then in a finishing mill.
  • the slabs are also preheated to temperatures of 1000°C and above.
  • the furnaces required for heating are usually powered by natural gas.
  • the natural gas is burned with air, producing carbon dioxide and water.
  • the resulting exhaust gas is released into the environment via a stack.
  • induction heating is more efficient than is possible with hydrogen.
  • induction heating also has significant disadvantages.
  • the required peak electrical power is very high. In practice, it is in the double-digit megawatt range. This can be particularly disadvantageous if an entire plant, into which the furnace is integrated, temporarily requires high electrical power for other reasons, for example, to roll a rolled stock.
  • the associated induction heating system is also expensive, complex to install, and not easily replaced in the event of a failure.
  • induction heating only affects small areas of the rolled stock, so that heating is uneven and the rolled stock is not heated throughout. Furthermore, heating is very rapid.
  • the object of the present invention is to create a heating system that further improves the teachings of the aforementioned WO document. In particular, it enables efficient charging of the high-temperature heat storage tank in a simple and flexible manner and with minimal wiring effort.
  • a heating system having the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the heating system are the subject of dependent claims 2 to 10.
  • a heating system of the type mentioned at the outset is designed in that
  • the heating system for charging the high-temperature heat storage device comprises a second line system via which the high-temperature heat storage device and the inductive heating device are fluidically connected to one another, so that the gas in the second line system can be guided from the inductive heating device to the high-temperature heat storage device and back in a second closed circuit, and
  • the use of closed circuits allows the gas to be selected as needed.
  • the use of a high-temperature heat storage system with suitable insulation enables significantly more compact, efficient, and also more cost-effective energy storage than would be possible with a battery storage system.
  • An inductive heating system enables efficient, cost-effective heating of the high-temperature heat storage system. Heating can be decoupled from the thermal energy drawn from the high-temperature heat storage system, so that power peaks can be completely avoided or at least largely reduced.
  • the arrangement and design of the inductive heating system can be determined independently of the furnace's specific conditions—with the exception of the required heating output.
  • a high-temperature heat storage device within the meaning of the present invention is a heat storage device in which the storage material in the heat storage device can be heated to temperatures of 1000 °C and more, for example to temperatures of 1200° or more or even 1400° or more or 1500° or more.
  • the heat capacity of the high-temperature heat storage unit and the inductive heating output should be matched to the maximum power requirement of the furnace.
  • the maximum thermal power requirement of the furnace is usually between 20 and 100 MW.
  • the inductive thermal heating output of the induction heater should be at least 20% of the maximum power requirement of the furnace. It can also have higher values, for example, 30%, 40%, etc. More than 150% of the maximum power requirement of the furnace is generally not necessary. In most cases, even a value of 100% (plus/minus 10%) is sufficient.
  • the storage capacity of the storage unit should be matched to the maximum power requirement of the furnace.
  • the storage capacity of the storage unit should be dimensioned such that the furnace can draw its maximum thermal power requirement from the high-temperature heat storage unit for at least 30 minutes, and preferably for at least 1 hour.
  • the first and/or second line systems comprise elements that can be adjusted by a control device, so that the control device can adjust the extent to which the gas extracted from the high-temperature heat storage device and/or the gas heated by the inductive heating device is supplied to the furnace. This allows for a significant degree of peak shaving, i.e., the avoidance of load peaks on the inductive heating device, even with a relatively small high-temperature heat storage device.
  • control device it is possible for the control device to use the adjustable elements to adjust the extent to which the gas heated by the inductive heating device is fed to the high-temperature heat storage unit and/or the furnace. This allows for very flexible use of the inductive heating device.
  • one and the same inductive heating device can provide heat for both the furnace and the high-temperature heat storage unit.
  • the adjustable elements can be, for example, compressors or fans, whose drives can be controlled by the control system. If no gas is to flow through certain sections of the piping system temporarily, flaps or similar closure devices can also be closed if necessary.
  • the high-temperature heat storage device is preferably designed as a stratified storage device.
  • the gas is extracted from the high-temperature heat storage device in an upper area to heat the material in the furnace and, after flowing through the furnace, is returned to a lower area.
  • the gas is extracted from the high-temperature heat storage device in the lower area for charging and, after flowing through the inductive heating device, is returned to the upper area.
  • the storage material in the high-temperature heat storage device preferably consists of spherical storage elements.
  • Such storage elements offer a relatively high filling level relative to the total volume of the high-temperature heat storage device, while the spaces and gaps between the storage elements nevertheless form a low-resistance path for the first and/or second gas.
  • the storage elements comprise an outer shell and an inner core.
  • the phase transition temperature of the inner cores it is possible for the phase transition temperature of the inner cores to be below a melting point of the outer shells.
  • the heat capacity of the high-temperature heat storage device can be increased for the same volume.
  • the phase transformation temperature of the inner cores is particularly preferably at a desired upper operating temperature of the high-temperature heat storage device or slightly below.
  • the inner cores can be made of the same material as the material in the furnace. This is particularly true if the material in the furnace is to be heated but not melted.
  • the inner cores As an alternative to the phase transformation of the inner cores and the matching of the material of the inner cores to the material of the material in the furnace, it is possible for the inner cores to consist of a mixture of several substances and the proportions of the substances to vary with the temperature of the high-temperature heat storage device. In this case, a large amount of energy can be absorbed or released through the reaction enthalpy.
  • the storage material unless divided into a shell and core, is preferably a ceramic. Ceramics can be heated to very high temperatures without cracking.
  • the furnace is designed such that the material contained in the furnace is a rolled metal stock, in particular steel.
  • a rolled metal stock in particular steel.
  • Such furnaces require large amounts of thermal energy at a high temperature level. This is where the full benefits of using the high-temperature heat storage system, including the closed first circuit and the use of an inert first gas, become apparent.
  • the rolled stock can, in particular, be formed as a flat, elongated rolled stock (slab or pre-strip).
  • the gas consists of water vapor and/or carbon dioxide.
  • This is particularly advantageous in conjunction with a furnace for heating rolled stock, because in this case the rolled stock is chemically heated using a medium that differs little, or not at all, from the medium used to heat the rolled stock using conventional natural gas burners. It can therefore be safely assumed that no unexpected side effects will occur.
  • the burners used in the prior art for burning natural gas can be used as outlet nozzles for the gas without any further modification.
  • FIG 1 a heating system
  • FIG 2 is a plan view of a furnace
  • FIG 3 shows a section through the furnace of FIG 2 along a line lll-lll in FIG 2,
  • FIG 4 shows a section through the furnace of FIG 2 along a line IV-IV in FIG 2,
  • FIG 5 a high-temperature heat storage
  • FIG 6 another heating system
  • FIG 7 to 9 sections through storage elements.
  • a heating system comprises a high-temperature heat storage unit 1, a furnace 2 and an inductive heating device 3.
  • the high-temperature heat accumulator 1 contains a storage material 4.
  • the storage material 4 can be a liquid storage medium.
  • the storage material 4 is generally in a solid state.
  • the storage material 4 can consist of spherical storage elements 5 as shown in FIG. 1.
  • the storage material 4 can be heated in the high-temperature heat accumulator 1 to high temperatures T of 1000°C and more, even to temperatures T of 1200°C and more, or 1400°C and more, or 1500°C and more. Possible configurations of the storage material 4 will be explained later.
  • a product 6 is located in the furnace 2.
  • the furnace 2 is thus designed to accommodate the corresponding product 6.
  • the product 6 can, for example, be a rolled product made of metal, in particular steel.
  • the product 6 can be a flat, elongated rolled product, as shown in FIGS. 2 to 4.
  • the product 6 is conveyed in the furnace 2 transversely to a longitudinal direction of the product 6. The conveying direction is indicated by an arrow 7 in FIGS. 2 and 3.
  • the heating system comprises a first piping system.
  • the high-temperature heat storage unit 1 and the furnace 2 are fluidly connected via the first piping system.
  • a gas 9 can be conducted from the high-temperature heat storage unit 1 to the furnace 2 and back.
  • the first pipe system thus forms a first closed circuit for the gas 9.
  • the gas 9 flows in the high-temperature heat storage unit 1 along contact surfaces of the storage material 4 located in the high-temperature heat storage unit 1. Likewise, the gas 9 flows in the furnace 2 along the material 6 located in the furnace 2. For this reason, the gas 9 is selected such that it is inert with respect to the contact surfaces of the storage material 4 and with the material 6, i.e., it does not react chemically. In many cases - particularly when the material 6 is a rolled stock - the gas 9 can consist of water vapor (H 2 O) and/or carbon dioxide (CO 2 ). Especially for heating a rolled stock, the gas 9 should be free of nitrogen or at least contain as little nitrogen as possible (maximum 25 percent by volume).
  • the high-temperature heat storage device 1 is designed as a stratified storage device, as shown in FIG. 5.
  • the storage material 4 located in the high-temperature heat storage device 1 thus has a temperature T1 in a lower region 10 and a temperature T2 in an upper region 11, wherein the temperature T2 is greater than the temperature T1. Between the lower and upper regions 10, 11, the storage material 4 has temperatures T that gradually rise from bottom to top from temperature T1 to temperature T2.
  • the gas 9 is extracted in the upper region 11 and fed to the furnace 2 via the first line system. There, the gas 9 flows through the furnace 2 and thus heats the material 6 located in the furnace 2. The gas 9 cools as a result. After flowing through the furnace 2, the gas 9 is fed back to the high-temperature heat storage device 1 via the first line system, specifically in the lower region 10.
  • Thermal energy can be supplied to the high-temperature heat storage unit 1 by means of the inductive heating device 3.
  • the inductive heating device 3 is arranged outside the high-temperature heat storage unit 1. Accordingly, the heating system for charging the high-temperature heat storage unit 1—i.e., for supplying thermal energy to the high-temperature heat storage unit 1—comprises a second line system.
  • the high-temperature heat storage unit 1 and the inductive heating device 3 are fluidly connected to one another via the second line system.
  • the gas 9 can be conducted from the inductive heating device 3 to the high-temperature heat storage unit 1.
  • the second line system thus forms a second closed circuit for the gas 9.
  • the gas 9 flows in the inductive heating device 3 along a heating element 14.
  • the heating element 14 is the element of the inductive heating device 3 that is inductively heated, i.e., in which the electrical eddy currents are generated. For this reason, The gas 9 is selected such that it is also inert with respect to the heating element 14, i.e., it does not react chemically.
  • the heating element 14 can be made of stainless steel, for example, stainless steel 316L. Other materials are also possible, for example, titanium, Alloy C286, zirconium (especially Zr 702), or tantalum.
  • the high-temperature heat storage device 1 is preferably designed as a stratified storage device.
  • the gas 9 is withdrawn in the upper region 10 and fed back in to the lower region 11.
  • the gas 9 flows from bottom to top within the high-temperature heat storage device 1.
  • the gas 9 is withdrawn from the high-temperature heat storage device 1 in the lower region 10 and, after flowing through the inductive heating device 3, fed back in to the upper region 11.
  • the gas 9 flows from top to bottom within the high-temperature heat storage device 1.
  • the direction of the two gas flows is therefore inverse to one another.
  • the first and second conduit systems have common sections.
  • the two conduit systems have sections 18 to 22 and branches 23, 24.
  • the inductive heating device 3 is arranged in section 18.
  • Adjustable elements 25, 26 are arranged in sections 19 and 20.
  • the adjustable elements 25, 26 can comprise, for example, fans and/or shutters.
  • sections 18 and 21 are common sections
  • sections 19 and 22 are components exclusively of the first line system
  • section 20 is a component exclusively of the second line system.
  • the gas 9 flows via the sections 21 and 20 and a part of the section 18 to the inductive heating device 3 and then via the remaining part of the section 18 back to the high-temperature heat storage device 1.
  • the adjustable element 26 is completely open in this case. and/or delivers the gas 9.
  • the adjustable element 25 is completely closed and/or does not deliver any gas.
  • the inductive heating device 3 is controlled such that it heats the gas 9.
  • a further adjustable element 28 is additionally arranged in one of the sections 18 and 21, in particular a fan, and optionally also an additional closure flap.
  • control device 27 can thus adjust by means of the adjustable elements 25, 26 and optionally 28 the extent to which the gas 9 heated by the inductive heating device 3 is fed to the high-temperature heat accumulator 1 and/or the furnace 2.
  • the two line systems have the same sections 18 to 22 and branches 23, 24 as in the embodiment according to FIG 1.
  • the inductive heating device 3 is in the section
  • the adjustable elements 25, 26 and 28 can be arranged and designed in the same way as in the embodiment of the heating system according to FIG. 1.
  • sections 18 and 21 are common sections, sections 19 and 22 are components exclusively of the first line system, and section 20 is a component exclusively of the second line system.
  • the gas 9 flows via sections 18 and 19 to the furnace 2 and then via sections 22 and 21 back to the high-temperature heat accumulator 1.
  • the adjustable element 25 is completely open and/or conveys the gas 9.
  • the adjustable element 26 can also be completely closed in this case and/or convey no gas.
  • the inductive heating device 3 is not controlled. However, it is also possible to control the inductive heating device 3 and the adjustable element 26 in such a way that they supply additional heat energy to the furnace 2 via the gas 9. Conversely, if heat is to be supplied to the high-temperature heat storage 1 by the gas 9, the gas 9 flows over the section
  • the adjustable element 26 is in this case completely open and/or conveys the gas 9.
  • the inductive heating device 3 is in this case controlled such that it heats the gas 9.
  • the adjustable element 25 can in this case be completely closed and/or convey no gas.
  • the gas flow flowing through the inductive heating device 3 is split at the branch 23, so that ex- Heat is simultaneously supplied to the high-temperature heat accumulator 1 and the furnace 2 by the inductive heating device 3.
  • the adjustable element 25 must be opened.
  • control device 27 can adjust the extent to which the first gas 9 extracted from the high-temperature heat accumulator 1 and/or the second gas 13 heated by the inductive heating device 3 is supplied to the furnace 2.
  • the storage elements 5 can be spherical. Corresponding storage elements 5 are shown in FIGS. 7 to 9.
  • the storage elements 5 have an outer shell 29 and an inner core 30.
  • the inner core 30 completely fills the outer shell 29 (possibly with the exception of a small residual volume 31).
  • a phase transition temperature of the inner cores 30 is below a melting temperature of the outer shells 29. This makes it possible, for example, for the inner cores 30 of the storage elements 5 to be in a first phase state (for example, in the solid state) when the storage elements 5 are at temperature T1. This state is shown in FIG. 7. If, however, the storage elements 5 are at temperature T2, the inner cores 30 are in a second phase state (for example, they may be molten). This state is shown in FIG. 8.
  • the inner cores 30 are made of the same material as the material 6 located in the furnace 2. However, it is also possible for the inner cores 30 to be made of the same material as the material 6 located in the furnace 2, but no phase transformation occurs during heating and cooling. In some configurations - not shown in the figures - it can also be useful for the inner cores 30 to consist of a mixture of several substances and the proportions of the substances to vary with the temperature of the high-temperature heat storage device 1, so that a chemical equilibrium is established whose equilibrium position depends on the temperature T.
  • the storage elements 5 are uniform, i.e., not divided into outer shells 29 and inner cores 30.
  • the storage material 4 can be, in particular, a ceramic.
  • the storage material 4 may also consist of graphite.
  • the first and second gases 9, 13 must be selected appropriately. If the first and second gases 9, 13 contain carbon dioxide or water vapor, this may be the case when using of graphite at high temperatures can lead to the formation of carbon monoxide, which should be avoided if possible.
  • the present invention has many advantages.
  • it enables comparatively energy-efficient heating of goods 6, whereby technological properties—particularly metallurgical properties—of the goods 6 can be advantageously influenced, and peak loads on an electrical supply network can be avoided or at least reduced.
  • the associated high-temperature heat storage device 1 can be constructed very compactly.

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Abstract

Ein Heizungssystem umfasst einen Hochtemperaturwärmespeicher (1) und einen Ofen (2). Der Hochtemperaturwärmespeicher (1) ist ein Wärmespeicher, bei dem ein in dem Wärmespeicher (1) befindliches Speichermaterial (4) auf Temperaturen von 1000 °C und mehr aufgeheizt werden kann. Das Heizungssystem umfasst zum Erwärmen eines in dem Ofen (2) befindlichen Gutes (6) ein erstes Leitungssystem, über das der Hochtemperaturwärmespeicher (1) und der Ofen (2) strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Dadurch kann in dem ersten Leitungssystem (8) ein Gas (9) von dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) zum Ofen (2) und zurück in einem ersten geschlossenen Kreislauf geführt werden. Das Heizungssystem umfasst eine induktive Heizeinrichtung (3), mittels derer dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) Wärmeenergie zugeführt werden kann. Das Gas (9) ist bezüglich Kontaktflächen des im Hochtemperaturwärmespeicher (1) befindlichen Speichermaterials (4), bezüglich eines in der Heizeinrichtung (3) befindlichen, induktiv erhitzten Heizkörpers (14) und bezüglich des in dem Ofen (2) befindlichen Gutes (6) inert. Das Heizungssystem umfasst zum Beladen des Hochtemperaturwärmespeichers (1) ein zweites Leitungssystem, über das der Hochtemperaturwärmespeicher (1) und die induktive Heizeinrichtung (3) strömungstechnisch miteinander verbunden sind, so dass das Gas (9) in dem zweiten Leitungssystem von der induktiven Heizeinrichtung (3) zum Hochtemperaturwärmespeicher (1) und zurück in einem zweiten geschlossenen Kreislauf geführt werden kann. Das erste und das zweite Leitungssystem weisen gemeinsame Abschnitte (18, 21) auf.

Description

Beschreibung
Bezeichnung der Erfindung
Heizungssystem mit Hochtemperaturwärmespeicher
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Heizungssystem,
- wobei das Heizungssystem einen Hochtemperaturwärmespeicher und einen Ofen umfasst,
- wobei der Hochtemperaturwärmespeicher ein Wärmespeicher ist, bei dem ein in dem Wärmespeicher befindliches Speichermaterial auf Temperaturen von 1000 °C und mehr aufgeheizt werden kann,
- wobei das Heizungssystem zum Erwärmen eines in dem Ofen befindlichen Gutes ein erstes Leitungssystem umfasst, über das der Hochtemperaturwärmespeicher und der Ofen strömungstechnisch miteinander verbunden sind, so dass in dem ersten Leitungssystem ein Gas von dem Hochtemperaturwärmespeicher zum Ofen und zurück in einem ersten geschlossenen Kreislauf geführt werden kann,
- wobei das Heizungssystem eine induktive Heizeinrichtung umfasst, mittels derer dem Hochtemperaturwärmespeicher Wärmeenergie zugeführt werden kann,
- wobei das Gas bezüglich Kontaktflächen des im Hochtemperaturwärmespeicher befindlichen Speichermaterials, bezüglich eines in der Heizeinrichtung befindlichen, induktiv erhitzten Heizkörpers und bezüglich des in dem Ofen befindlichen Gutes inert ist,
Stand der Technik
Ein derartiges Heizungssystem ist beispielsweise aus der WO 96/17215 A1 bzw. der korrespondierenden EP 0 750 170 A1 bekannt.
Aus der DE 102008 044280 A1 ist für den Haushaltsbereich ein Durchlauferhitzer bekannt, bei dem ein zu erhitzendes Medium durch einen Durchlauferhitzer geführt wird, in dem ein Heizkörper angeordnet ist, der von dem Medium umströmt oder durchströmt wird. Das Medium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Der Heizkörper besteht aus einem elektrisch leitenden Material und wird über eine Spule indirekt induktiv erhitzt, so dass er seine Wärme an das Medium übertragen kann.
Aus der EP 2 738 502 A1 ist ein Haubenglühofen bekannt, in dem mehrere Coils angeordnet sind. In dem Haubenglühofen zirkuliert ein Schutzgas, das alternativ mittels eines konventionel- len Brenners oder elektrisch aufgeheizt wird. Ein Hochtemperaturwärmespeicher ist nicht erwähnt. Die elektrische Aufheizung erfolgt nicht induktiv, sondern über Wärmestrahler.
Aus der DE 102021 128 851 A1 ist ein Heizungssystem bekannt, bei dem ein Walzgut in einem Ofen erwärmt wird. Das Erwärmen erfolgt mittels eines Transportmediums, das aus Kohlendioxid und Wasserdampf bestehen kann. Das Erwärmen des Transportmediums erfolgt durch konzentrierte Sonnenstrahlung. Zusätzlich kann eine Wärmespeichereinrichtung vorhanden sein, in der Wärme zwischengespeichert und später auf das in dem Ofen befindliche Gut übertragen werden kann.
Aus der WO 2020/239288 A1 ist ein System bekannt, das einen Hochtemperaturwärmespeicher umfasst. In dem Hochtemperaturwärmespeicher wird mittels einer induktiven Heizeinrichtung ein Speichermaterial erhitzt. Der Hochtemperaturwärmespeicher wird von einem Fluid durchströmt, das in einen Kreisprozess mit einerweiteren Einrichtung eingebunden ist. Insbesondere wird das Fluid zum Antreiben einer Turbine mit nachgeschaltetem Generator verwendet. In dem Hochtemperaturwärmespeicher befindliche Speicherelemente können kugelförmig sein und nach Bedarf aus einer Keramik oder aus Stahl bestehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Rahmen der Herstellung von Eisen und Stahl werden große Wärmemengen bei hohen Temperaturen benötigt. Beispielsweise werden in einer konventionellen Warmbandstraße Brammen in einem Ofen auf Temperaturen von 1000 °C und mehr erhitzt, bevor sie zunächst in einer Vorstraße und danach in einer Fertigstraße gewalzt werden. Auch bei Grobblechstraßen erfolgt ein vorheriges Erwärmen der Brammen auf Temperaturen von 1000 °C und mehr. Gleiches gilt für andere Walzstraßen. Die zum Erwärmen erforderlichen Öfen werden üblicherweise mit Erdgas betrieben. Das Erdgas wird mit Luft verbrannt, so dass Kohlendioxid und Wasser entstehen. Das entstehende Abgas wird über einen Kamin an die Umwelt abgegeben.
Aus Gründen des Umweltschutzes, insbesondere zur Reduzierung oder Vermeidung von Emissionen von Kohlendioxid, gibt es Überlegungen, dem Erdgas Wasserstoff beizumischen oder das Erdgas vollständig durch Wasserstoff zu ersetzen. Wenn dem Erdgas Wasserstoff beigemischt oder das Erdgas durch Wasserstoff ersetzt werden soll, ist zumindest eine Überprüfung der Leitungen und der Brenner erforderlich, oftmals auch eine Umstellung. Die genannte Vorgehensweise kann weiterhin nur dann zu einer Reduzierung der Emissionen von Kohlendioxid führen, wenn der Wasserstoff auf umweltfreundliche Art und Weise erzeugt wurde. Durch Berücksichtigung der typischen Wirkungsgrade von Elektrolyseanlagen, der später nicht wieder gewinnbaren Energiemengen für das Verdichten und den Transport des Wasserstoffs, der Speicherverluste an Wasserstoff und des Wirkungsgrades beim Verbrennen des Wasserstoffs lässt sich ohne weiteres ermitteln, dass sich sogar theoretisch nur ein resultierender Gesamtwirkungsgrad von deutlich unter 40 % ergibt. Realistisch ist ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 30 %. Es ist folglich unwirtschaftlich, einen derartigen Ofen mit Wasserstoff zu betreiben.
Es ist weiterhin bekannt, Brammen und andere Walzgüter induktiv zu erwärmen. Eine induktive Erwärmung weist einen höheren Wirkungsgrad auf, als durch die Verwendung von Wasserstoff möglich ist. Eine induktive Erwärmung weist jedoch ebenfalls nennenswerte Nachteile auf. Zunächst ist die erforderliche elektrische Spitzenleistung sehr hoch. Sie liegt in der Praxis im zweistelligen Megawattbereich. Dies kann insbesondere dann von Nachteil sein, wenn eine Gesamtanlage, in welche der Ofen integriert ist, aus anderen Gründen temporär hohe elektrische Leistungen benötigt, beispielsweise zum Walzen eines Walzguts. Auch ist die zugehörige Induktionsheizung als solche teuer, aufwendig zu installieren und bei einem Ausfall auch nicht ohne weiteres zu ersetzen. Darüber hinaus ergeben sich auch aus metallurgischer Sicht nennenswerte Nachteile. Zum einen wirkt eine Induktionsheizung nur auf kleine Stellen der Walzgüter, so dass die Erwärmung ungleichmäßig ist und die Walzgüter nicht homogen durchgewärmt werden. Weiterhin ist die Aufheizung sehr schnell. Dies ist von Nachteil, weil die Walzgüter zwar erwärmt werden, für die Auflösung von Legierungselementen und Ausscheidungen im Walzgut jedoch ein nennenswerter Zeitraum erforderlich ist. Viele Stahllegierungen benötigen für die Auflösung von Legierungselementen und Ausscheidungen im Walzgut mehrere Stunden, während derer sie auf Temperatur gehalten werden müssen, bevor sie gewalzt werden können. Hierfür ist ein Induktionsofen ungeeignet. Zur Reduzierung der Kosten für den Bezug an elektrischer Energie ist es weiterhin erforderlich, elektrische Energie in einem Batteriespeicher zu puffern, damit nicht zu Zeiten hoher Preise für elektrische Energie viel Energie bezogen werden muss. Aufgrund der benötigten Energiemengen müsste der Batteriespeicher eine erhebliche Größe von beispielsweise 100 MWh und mehr aufnehmen und bereitstellen können.
Insbesondere die aus der WO 96/17215 A1 bekannte Lehre stellt gegenüber dem üblichen Stand der Technik bereits eine nennenswerte Verbesserung dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heizungssystem zu schaffen, mittels dessen die Lehre der genannten WO-Schrift noch weiter verbessert werden kann. Insbesondere soll auf einfache und flexible Art und Weise und mit geringem Leitungsaufwand ein effizientes Beladen des Hochtemperaturwärmespeichers ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird durch ein Heizungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Heizungssystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10. Erfindungsgemäß wird ein Heizungssystem der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- dass das Heizungssystem zum Beladen des Hochtemperaturwärmespeichers ein zweites Leitungssystem umfasst, über das der Hochtemperaturwärmespeicher und die induktive Heizeinrichtung strömungstechnisch miteinander verbunden sind, so dass das Gas in dem zweiten Leitungssystem von der induktiven Heizeinrichtung zum Hochtemperaturwärmespeicher und zurück in einem zweiten geschlossenen Kreislauf geführt werden kann, und
- dass das erste und das zweite Leitungssystem gemeinsame Abschnitte aufweisen.
Insbesondere die Verwendung geschlossener Kreisläufe ermöglicht es, das Gas nach Bedarf zu wählen. Weiterhin ermöglicht die Verwendung eines Hochtemperaturwärmespeichers bei geeigneter Isolierung eine erheblich kompaktere und effizientere und darüber hinaus auch kostengünstigere Speicherung von Energie, als mit einem Batteriespeicher möglich wäre. Mittels einer induktiven Heizeinrichtung wiederum ist ein effizientes, kostengünstiges Aufheizen des Hochtemperaturwärmespeichers möglich. Das Aufheizen kann entkoppelt vom Bezug von thermischer Energie aus dem Hochtemperaturwärmespeicher erfolgen, so dass Leistungsspitzen vollständig vermieden werden können oder zumindest weitgehend reduziert werden können. Die Anordnung und Ausgestaltung der induktiven Heizeinrichtung kann weiterhin - mit Ausnahme der erforderlichen Heizleistung - unabhängig von den Gegebenheiten des Ofens bestimmt werden.
Ein Hochtemperaturwärmespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmespeicher, bei dem das in dem Wärmespeicher befindliche Speichermaterial auf Temperaturen von 1000 °C und mehr aufgeheizt werden kann, beispielsweise auf Temperaturen von 1200° oder mehr oder sogar von 1400° oder mehr oder 1500° oder mehr.
Die Wärmekapazität des Hochtemperaturwärmespeichers und die induktive Heizleistung sollten auf den maximalen Leistungsbedarf des Ofens abgestimmt sein. Bei üblichen industriellen Öfen der Metallindustrie liegt der maximale thermische Leistungsbedarf des Ofens in der Regel zwischen 20 und 100 MW. Die induktive thermische Heizleistung der Induktionsheizung sollte mindestens 20 % des maximalen Leistungsbedarfs des Ofens betragen. Sie kann auch größere Werte von beispielsweise 30 %, 40 % usw. aufweisen. Mehr als 150 % des maximalen Leistungsbedarf des Ofens sind in aller Regel nicht erforderlich. Meist ist sogar ein Wert von 100 % (plus/minus 10 %) ausreichend. In ähnlicher Weise sollte auch die Speicherkapazität des Speichers auf den maximalen Leistungsbedarf des Ofens abgestimmt sein. Die Speicherkapazität des Speichers sollte derart bemessen sein, dass der der Ofen dem Hochtemperaturwärmespeicher mindestens für 30 Minuten, besser für mindestens 1 Stunde seinen maximalen thermischen Leistungsbedarf entnehmen kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen das erste und/oder das zweite Leitungssystem von einer Steuereinrichtung einstellbare Elemente auf, so dass durch die Steuereinrichtung einstellbar ist, in welchem Ausmaß dem Ofen das dem Hochtemperaturwärmespeicher entnommene Gas und/oder das von der induktiven Heizeinrichtung erwärmte Gas zugeführt wird. Damit ist bereits bei einem relativ kleinen Hochtemperaturwärmespeicher in erheblichem Umfang ein sogenanntes Peak shaving möglich, also ein Vermeiden von Belastungsspitzen der induktiven Heizeinrichtung.
Alternativ ist es möglich, dass mittels der einstellbaren Elemente durch die Steuereinrichtung einstellbar ist, in welchem Ausmaß das von der induktiven Heizeinrichtung erwärmte Gas dem Hochtemperaturwärmespeicher und/oder dem Ofen zugeführt wird. Dadurch wird eine sehr flexible Nutzung der induktiven Heizeinrichtung erreicht. Insbesondere kann mittels ein und derselben induktiven Heizeinrichtung sowohl Wärme für den Ofen als auch Wärme für den Hochtemperaturwärmespeicher bereitgestellt werden.
Die einstellbaren Elemente können beispielsweise Kompressoren oder Gebläse sein, deren Antriebe von der Steuereinrichtung steuerbar sind. Falls durch bestimmte Abschnitte der Leitungssysteme temporär gar kein Gas strömen soll, können gegebenenfalls auch Klappen oder ähnliche Verschlusseinrichtungen geschlossen werden.
Vorzugsweise ist der Hochtemperaturwärmespeicher als Schichtspeicher ausgebildet. In diesem Fall wird das Gas dem Hochtemperaturwärmespeicher zum Erwärmen des in dem Ofen befindlichen Gutes in einem oberen Bereich entnommen und nach dem Durchströmen des Ofens in einem unteren Bereich wieder zugeführt. In analoger Weise wird das Gas dem Hochtemperaturwärmespeicher zum Beladen in dem unteren Bereich entnommen und nach dem Durchströmen der induktiven Heizeinrichtung in dem oberen Bereich wieder zugeführt. Durch die Verwendung eines Schichtspeichers kann die Temperatur des dem Hochtemperaturwärmespeicher entnommenen ersten Gases sehr lange auf einem hohen Niveau gehalten werden.
Das in dem Hochtemperaturwärmespeicher befindliche Speichermaterial besteht vorzugsweise aus kugelförmigen Speicherelementen. Derartige Speicherelemente bieten - bezogen auf das Gesamtvolumen des Hochtemperaturwärmespeichers - einerseits einen relativ hohen Füllgrad, wobei die Zwischenräume und Lücken zwischen den Speicherelementen dennoch einen widerstandsarmen Pfad für das erste und/oder das zweite Gas bilden.
Vorzugsweise weisen die Speicherelemente eine äußere Hülle und einen inneren Kern auf. In diesem Fall ist es möglich, dass eine Phasenumwandlungstemperatur der inneren Kerne unter einer Schmelztemperatur der äußeren Hüllen liegt. Dadurch kann aufgrund der Phasenumwandlung beispielsweise beim Schmelzen bzw. Erstarren der Kerne die Wärmekapazität des Hochtemperaturwärmespeichers bei gleichem Volumen vergrößert werden. Besonders bevorzugt liegt die Phasenumwandlungstemperatur der inneren Kerne in diesem Fall bei einer gewünschten oberen Betriebstemperatur des Hochtemperaturwärmespeichers oder geringfügig darunter. Alternativ oder zusätzlich können die inneren Kerne aus dem gleichen Material bestehen wie das in dem Ofen befindliche Gut. Dies gilt insbesondere dann, wenn das in dem Ofen befindliche Gut zwar erhitzt, aber nicht geschmolzen werden soll. Alternativ zur Phasenumwandlung der inneren Kerne und der Abstimmung des Materials der inneren Kerne auf das Material des im Ofen befindlichen Gutes ist es möglich, dass die inneren Kerne aus einem Gemisch mehrerer Stoffe bestehen und die Anteile der Stoffe mit der Temperatur des Hochtemperaturwärmespeichers variieren. In diesem Fall kann durch die Reaktionsenthalpie eine große Energiemenge aufgenommen bzw. freigesetzt werden.
Das Speichermaterial ist, sofern es nicht in Hülle und Kern aufgeteilt ist, vorzugsweise eine Keramik. Keramiken können auf sehr hohe Temperaturen aufgeheizt werden, ohne zu brechen.
Vorzugsweise ist der Ofen derart ausgelegt, dass das in dem Ofen befindliche Gut ein Walzgut aus Metall ist, insbesondere aus Stahl. Derartige Öfen benötigen große Mengen an Wärmeenergie auf einem hohen Temperaturniveau. Insbesondere hier zeigen sich die vollen Vorteile der Verwendung des Hochtemperaturwärmespeichers einschließlich des geschlossenen ersten Kreislaufes und der Verwendung eines inerten ersten Gases. Das Walzgut kann insbesondere als flaches, langgestrecktes Walzgut (Bramme oder Vorband) ausgebildet sein.
In vielen Fällen ist es von Vorteil, wenn das Gas aus Wasserdampf und/oder Kohlendioxid besteht. Insbesondere in Verbindung mit einem Ofen zum Erwärmen eines Walzguts ist dies von Vorteil, weil in diesem Fall das Walzgut in chemischer Hinsicht mittels eines Mediums erwärmt wird, dass sich nicht oder zumindest nur geringfügig von dem Medium unterscheidet, mit dem das Walzgut bei der Verwendung konventioneller Erdgasbrenner erwärmt wird. Es kann also ohne weiteres angenommen werden, dass keine unerwarteten Nebeneffekte auftreten. Weiterhin können die Brenner, die im Stand der Technik für das Verbrennen von Erdgas genutzt werden, ohne weitere Umstellung als Auslassdüsen für das Gas genutzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei zeigen:
FIG 1 ein Heizungssystem,
FIG 2 eine Draufsicht auf einen Ofen,
FIG 3 einen Schnitt durch den Ofen von FIG 2 längs einer Linie lll-lll in FIG 2,
FIG 4 einen Schnitt durch den Ofen von FIG 2 längs einer Linie IV-IV in FIG 2,
FIG 5 einen Hochtemperaturwärmespeicher,
FIG 6 ein weiteres Heizungssystem und
FIG 7 bis 9 Schnitte durch Speicherelemente.
Beschreibung der Ausführungsformen
Gemäß FIG 1 umfasst ein Heizungssystem einen Hochtemperaturwärmespeicher 1, einen Ofen 2 und eine induktive Heizeinrichtung 3.
In dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 befindet sich ein Speichermaterial 4. Das Speichermaterial 4 kann im Einzelfall ein flüssiges Speichermedium sein. In der Regel befindet sich das Speichermaterial 4 jedoch im festen Aggregatszustand. Beispielsweise kann das Speichermaterial 4 entsprechend der Darstellung in FIG 1 aus kugelförmigen Speicherelementen 5 bestehen. Das Speichermaterial 4 kann in dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 auf hohe Temperaturen T von 1000 °C und mehr aufgeheizt werden, sogar auf Temperaturen T von 1200 °C und mehr oder 1400 °C und mehr oder 1500 °C und mehr. Mögliche Ausgestaltungen des Speichermaterials 4 werden später erläutert.
In dem Ofen 2 befindet sich ein Gut 6. Der Ofen 2 ist somit derart ausgelegt, dass er das entsprechende Gut 6 aufnehmen kann. Bei dem Gut 6 kann es sich beispielsweise um ein Walzgut aus Metall handeln, insbesondere aus Stahl. Insbesondere kann das Gut 6 entsprechend der Darstellung in den FIG 2 bis 4 um ein flaches, langgestrecktes Walzgut handeln. Konkret im Falle eines flachen langgestreckten Walzguts wird das Gut 6 in dem Ofen 2 quer zu einer Längsrichtung des Gutes 6 gefördert. Die Förderrichtung ist in den FIG 2 und 3 durch einen Pfeil 7 angedeutet.
Zum Erwärmen des in dem Ofen 2 befindlichen Gutes 6 umfasst das Heizungssystem ein erstes Leitungssystem. Über das erste Leitungssystem sind der Hochtemperaturwärmespeicher 1 und der Ofen 2 strömungstechnisch miteinander verbunden. In dem ersten Leitungssystem kann also ein Gas 9 von dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 zum Ofen 2 und zurück geführt werden. Das erste Leitungssystem bildet somit einem ersten geschlossenen Kreislauf für das Gas 9.
Das Gas 9 strömt im Hochtemperaturwärmespeicher 1 an Kontaktflächen des im Hochtemperaturwärmespeicher 1 befindlichen Speichermaterials 4 entlang. Ebenso strömt das Gas 9 im Ofen 2 an dem in dem Ofen 2 befindlichen Gut 6 entlang. Aus diesem Grund ist das Gas 9 derart gewählt, dass es bezüglich der Kontaktflächen des Speichermaterials 4 und bezüglich des Gutes 6 inert ist, also chemisch nicht reagiert. In vielen Fällen - insbesondere dann, wenn das Gut 6 ein Walzgut ist - kann das Gas 9 aus Wasserdampf (H2O) und/oder Kohlendioxid (CO2) bestehen. Insbesondere zum Erwärmen eines Walzguts sollte das Gas 9 frei von Stickstoff sein oder zumindest möglichst wenig Stickstoff enthalten (maximal 25 Volumenprozent).
Vorzugsweise ist der Hochtemperaturwärmespeicher 1 entsprechend der Darstellung in FIG 5 als Schichtspeicher ausgebildet. Das im Hochtemperaturwärmespeicher 1 befindliche Speichermaterial 4 weist also in einem unteren Bereich 10 eine Temperatur T1 und in einem oberen Bereich 11 eine Temperatur T2 auf, wobei die Temperatur T2 größer als die Temperatur T1 ist. Zwischen dem unteren und dem oberen Bereich 10, 11 weist das Speichermaterial 4 Temperaturen T auf, die von unten nach oben allmählich von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 ansteigen. Zum Erwärmen des in dem Ofen 2 befindlichen Gutes 6 wird das Gas 9 im oberen Bereich 11 entnommen und über das erste Leitungssystem dem Ofen 2 zugeführt. Dort durchströmt das Gas 9 den Ofen 2 und erwärmt so das im Ofen 2 befindliche Gut 6. Das Gas 9 kühlt sich dadurch ab. Nach dem Durchströmen des Ofens 2 wird das Gas 9 über das erste Leitungssystem wieder dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 zugeführt, und zwar im unteren Bereich 10.
Mittels der induktiven Heizeinrichtung 3 kann dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 Wärmeenergie zugeführt werden. Die induktive Heizeinrichtung 3 ist außerhalb des Hochtemperaturwärmespeichers 1 angeordnet. Demzufolge umfasst das Heizungssystem zum Beladen des Hochtemperaturwärmespeichers 1 - also zum Zuführen von Wärmeenergie zum Hochtemperaturwärmespeicher 1 - ein zweites Leitungssystem. Der Hochtemperaturwärmespeicher 1 und die induktive Heizeinrichtung 3 sind über das zweite Leitungssystem strömungstechnisch miteinander verbunden. In dem zweiten Leitungssystem 12 kann das Gas 9 von der induktiven Heizeinrichtung 3 zum Hochtemperaturwärmespeicher 1 geführt werden. Das zweite Leitungssystem bildet somit einem zweiten geschlossenen Kreislauf für das Gas 9.
Das Gas 9 strömt in der induktiven Heizeinrichtung 3 an einem Heizkörper 14 entlang. Der Heizkörper 14 ist dasjenige Element der induktiven Heizeinrichtung 3, das als solches induktiv erhitzt wird, in dem also die elektrischen Wirbelströme generiert werden. Aus diesem Grund ist das Gas 9 derart gewählt, dass es auch bezüglich des Heizkörpers 14 inert ist, also chemisch nicht reagiert. Der Heizkörper 14 kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen, beispielsweise aus dem Stahl des Typs stainless steel 316L. Auch andere Materialien sind möglich, beispielsweise Titan, Alloy C286, Zirkon ((insbesondere Zr 702) oder Tantal.
Vorzugsweise ist der Hochtemperaturwärmespeicher 1 als Schichtspeicher ausgebildet ist. Zum Beziehen von thermischer Energie aus dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 wird das Gas 9 im oberen Bereich 10 entnommen und im unteren Bereich 11 wieder zugeführt wird. Dadurch strömt das Gas 9 in diesem Betriebszustand innerhalb des Hochtemperaturwärmespeichers 1 von unten nach oben. Zum Beladen wird dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 das Gas 9 in dem unteren Bereich 10 entnommen und nach dem Durchströmen der induktiven Heizeinrichtung 3 in dem oberen Bereich 11 wieder zugeführt. Dadurch strömt das Gas 9 in diesem Betriebszustand innerhalb des Hochtemperaturwärmespeichers 1 von oben nach unten. Die Richtung der beiden Gasströme ist also invers zueinander.
Das erste und das zweite Leitungssystem weisen gemeinsame Abschnitte auf. In der Ausgestaltung des Heizungssystems gemäß FIG 1 weisen die beiden Leitungssysteme Abschnitte 18 bis 22 und Verzweigungen 23, 24 auf. Die induktive Heizeinrichtung 3 ist in dem Abschnitt 18 angeordnet. In den Abschnitten 19 und 20 sind einstellbare Elemente 25, 26 angeordnet. Die Elemente 25, 26 können - ebenso wie die induktive Heizeinrichtung 3 - von einer Steuereinrichtung 27 gesteuert werden. Die einstellbaren Elemente 25, 26 können beispielsweise Gebläse und/oder Verschlussklappen umfassen.
In der Ausgestaltung gemäß FIG 1 sind die Abschnitte 18 und 21 gemeinsame Abschnitte, die Abschnitte 19 und 22 Bestandteile ausschließlich des ersten Leitungssystems und der Abschnitt 20 Bestandteil ausschließlich des zweiten Leitungssystems. Wenn dem Ofen 2 von dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 durch das Gas 9 Wärme zugeführt werden soll, so strömt das Gas 9 über die Abschnitte 18 und 19 zum Ofen 2 und sodann über die Abschnitte 22 und 21 wieder zurück zum Hochtemperaturwärmespeicher 1. Das einstellbare Element 25 ist in diesem Fall vollständig geöffnet und/oder fördert das Gas 9. Das einstellbare Element 26 ist in diesem Fall vollständig geschlossen und/oder fördert kein Gas. Die induktive Heizeinrichtung 3 kann nach Bedarf angesteuert werden oder auch nicht angesteuert werden, je nachdem, ob und gegebenenfalls in welchem Umfang das Hochtemperaturwärmespeicher 1 entnommene Gas 9 vor dem Zuführen zum Ofen 2 noch weiter aufgeheizt werden soll. Wenn umgekehrt dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 durch das Gas 9 Wärme zugeführt werden soll, so strömt das Gas 9 über die Abschnitte 21 und 20 sowie einen Teil des Abschnitts 18 zur induktiven Heizeinrichtung 3 und sodann über den verbleibenden Teil des Abschnitts 18 wieder zurück zum Hochtemperaturwärmespeicher 1. Das einstellbare Element 26 ist in diesem Fall vollständig geöffnet und/oder fördert das Gas 9. Das einstellbare Element 25 ist in diesem Fall vollständig geschlossen und/oder fördert kein Gas. Die induktive Heizeinrichtung 3 wird in diesem Fall derart angesteuert, dass sie das Gas 9 erwärmt.
Es ist auch möglich, dass zusätzlich in einem der Abschnitte 18 und 21 ein weiteres einstellbares Element 28 angeordnet ist, insbesondere ein Gebläse, gegebenenfalls auch zusätzlich eine Verschlussklappe.
In der Ausgestaltung gemäß FIG 1 ist somit mittels der einstellbaren Elemente 25, 26 und gegebenenfalls 28 durch die Steuereinrichtung 27 einstellbar, in welchem Ausmaß das von der induktiven Heizeinrichtung 3 erwärmte Gas 9 dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 und/oder dem Ofen 2 zugeführt wird.
In der Ausgestaltung des Heizungssystems gemäß FIG 6 weisen die beiden Leitungssysteme dieselben Abschnitte 18 bis 22 und Verzweigungen 23, 24 auf wie in der Ausgestaltung gemäß FIG 1. In der Ausgestaltung gemäß FIG 6 ist die induktive Heizeinrichtung 3 jedoch im Abschnitt
20 angeordnet. Die einstellbaren Elemente 25, 26 und 28 können auf die gleiche Art und Weise wie in der Ausgestaltung des Heizungssystems gemäß FIG 1 angeordnet und ausgebildet sein.
Auch in der Ausgestaltung gemäß FIG 6 sind die Abschnitte 18 und 21 gemeinsame Abschnitte, die Abschnitte 19 und 22 Bestandteile ausschließlich des ersten Leitungssystems und der Abschnitt 20 Bestandteil ausschließlich des zweiten Leitungssystems. Wenn dem Ofen 2 von dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 durch das Gas 9 Wärme zugeführt werden soll, so strömt das Gas 9 über die Abschnitte 18 und 19 zum Ofen 2 und sodann über die Abschnitte 22 und 21 wieder zurück zum Hochtemperaturwärmespeicher 1 . Das einstellbare Element 25 ist in diesem Fall vollständig geöffnet und/oder fördert das Gas 9. Das einstellbare Element 26 kann auch in diesem Fall vollständig geschlossen sein und/oder kein Gas fördern. In diesem Fall wird die induktive Heizeinrichtung 3 nicht angesteuert. Es ist aber auch möglich, die induktive Heizeinrichtung 3 und das einstellbare Element 26 derart anzusteuern, dass sie dem Ofen 2 durch das Gas 9 zusätzlich Wärmeenergie zuführen. Wenn umgekehrt dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 durch das Gas 9 Wärme zugeführt werden soll, so strömt das Gas 9 über den Abschnitt
21 und einen Teil des Abschnitts 20 zur induktiven Heizeinrichtung 3 und sodann über den verbleibenden Teil des Abschnitts 20 und den Abschnitt 18 wieder zurück zum Hochtemperaturwärmespeicher 1. Das einstellbare Element 26 ist in diesem Fall vollständig geöffnet und/oder fördert das Gas 9. Die induktive Heizeinrichtung 3 wird in diesem Fall derart angesteuert, dass sie das Gas 9 erwärmt. Das einstellbare Element 25 kann in diesem Fall vollständig geschlossen sein und/oder kein Gas fördern. Es ist aber auch möglich, dass der die induktive Heizeinrichtung 3 durchströmende Gasstrom an der Verzweigung 23 aufgeteilt wird, so dass ausge- hend von der induktiven Heizeinrichtung 3 zugleich dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 und dem Ofen 2 Wärme zugeführt wird. Hierfür muss das einstellbare Element 25 geöffnet werden.
Auch Zwischenzustände sind möglich. Im Ergebnis ist durch die Steuereinrichtung 27 einstellbar, in welchem Ausmaß dem Ofen 2 das dem Hochtemperaturwärmespeicher 1 entnommene erste Gas 9 und/oder das von der induktiven Heizeinrichtung 3 erwärmte zweite Gas 13 zugeführt wird.
Die Speicherelemente 5 können, wie bereits erwähnt, kugelförmig ausgebildet sein. Entsprechende Speicherelemente 5 sind in den FIG 7 bis 9 dargestellt.
In der Ausgestaltung gemäß den FIG 7 und 8 weisen die Speicherelemente 5 eine äußere Hülle 29 und einen inneren Kern 30 auf. Der innere Kern 30 füllt die äußere Hülle 29 (gegebenenfalls mit Ausnahme eines kleinen Restvolumens 31) vollständig aus. Eine Phasenumwandlungstemperatur der inneren Kerne 30 liegt unter einer Schmelztemperatur der äußeren Hüllen 29. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass die inneren Kerne 30 der Speicherelemente 5 sich in einem ersten Phasenzustand befinden (beispielsweise im festen Aggregatszustand), wenn die Speicherelemente 5 sich bei der Temperatur T1 befinden. Dieser Zustand ist in FIG 7 dargestellt. Wenn die Speicherelemente 5 sich hingegen bei der Temperatur T2 befinden, befinden sich die inneren Kerne 30 in einem zweiten Phasenzustand (beispielsweise können sie geschmolzen sein). Dieser Zustand ist in FIG 8 dargestellt. Diese Ausgestaltung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die inneren Kerne 30 aus dem gleichen Material bestehen wie das in dem Ofen 2 befindliche Gut 6. Es ist aber auch möglich, dass die inneren Kerne 30 aus dem gleichen Material bestehen wie das in dem Ofen 2 befindliche Gut 6, jedoch beim Erwärmen und Abkühlen keine Phasenumwandlung erfolgt. In manchen Ausgestaltungen - in den FIG nicht dargestellt - kann es auch sinnvoll sein, wenn die inneren Kerne 30 aus einem Gemisch mehrerer Stoffe bestehen und die Anteile der Stoffe mit der Temperatur des Hochtemperaturwärmespeichers 1 variieren, dass sich also ein chemisches Gleichgewicht einstellt, dessen Gleichgewichtslage von der Temperatur T abhängig ist.
In der Ausgestaltung gemäß FIG 9 sind die Speicherelemente 5 einheitlich, also nicht in äußere Hüllen 29 und innere Kerne 30 unterteilt. In derartigen Fällen kann das Speichermaterial 4 insbesondere eine Keramik sein.
In manchen Fällen kann das Speichermaterial 4 auch aus Graphit bestehen. In diesem Fall müssen aber das erste und das zweite Gas 9, 13 geeignet gewählt sein. Wenn das erste und das zweite Gas 9, 13 Kohlendioxid oder Wasserdampf enthalten, kann dies bei Verwendung von Graphit bei hohen Temperaturen zur Bildung von Kohlenmonoxid führen, was nach Möglichkeit vermieden werden sollte.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist eine vergleichsweise ener- gieeffiziente Erwärmung von Gütern 6 möglich, wobei technologische Eigenschaften - insbesondere metallurgische Eigenschaften - der Güter 6 vorteilhaft beeinflusst werden können und Spitzenbelastungen eines elektrischen Versorgungsnetzes vermieden oder zumindest reduziert werden können. Weiterhin kann der zugehörige Hochtemperaturwärmespeicher 1 sehr kompakt gebaut werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Hochtemperaturwärmespeicher
2 Ofen
3 Heizeinrichtung
4 Speichermaterial
5 Speicherelemente
6 Gut
7 Förderrichtung
9 Gas
10, 11 Bereiche
14 Heizkörper
15 Trennwand
16, 17 Strömungsrichtungen
18 bis 22 Abschnitte
23, 24 Verzweigungen
25, 26, 28 einstellbare Elemente
27 Steuereinrichtung
29 äußere Hüllen
30 innere Kerne
31 Restvolumen
T, T1, T2 Temperaturen

Claims

Ansprüche
1. Heizungssystem,
- wobei das Heizungssystem einen Hochtemperaturwärmespeicher (1) und einen Ofen (2) umfasst,
- wobei der Hochtemperaturwärmespeicher (1) ein Wärmespeicher ist, bei dem ein in dem Wärmespeicher (1) befindliches Speichermaterial (4) auf Temperaturen von 1000 °C und mehr aufgeheizt werden kann,
- wobei das Heizungssystem zum Erwärmen eines in dem Ofen (2) befindlichen Gutes (6) ein erstes Leitungssystem umfasst, über das der Hochtemperaturwärmespeicher (1) und der Ofen (2) strömungstechnisch miteinander verbunden sind, so dass in dem ersten Leitungssystem ein Gas (9) von dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) zum Ofen (2) und zurück in einem ersten geschlossenen Kreislauf geführt werden kann,
- wobei das Heizungssystem eine induktive Heizeinrichtung (3) umfasst, mittels derer dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) Wärmeenergie zugeführt werden kann,
- wobei das Gas (9) bezüglich Kontaktflächen des im Hochtemperaturwärmespeicher (1) befindlichen Speichermaterials (4), bezüglich eines in der Heizeinrichtung (3) befindlichen, induktiv erhitzten Heizkörpers (14) und bezüglich des in dem Ofen (2) befindlichen Gutes (6) inert ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass das Heizungssystem zum Beladen des Hochtemperaturwärmespeichers (1) ein zweites Leitungssystem umfasst, über das der Hochtemperaturwärmespeicher (1) und die induktive Heizeinrichtung (3) strömungstechnisch miteinander verbunden sind, so dass das Gas (9) in dem zweiten Leitungssystem von der induktiven Heizeinrichtung (3) zum Hochtemperaturwärmespeicher (1) und zurück in einem zweiten geschlossenen Kreislauf geführt werden kann, und
- dass das erste und das zweite Leitungssystem gemeinsame Abschnitte (18, 21) aufweisen.
2. Heizungssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das erste und/oder das zweite Leitungssystem von einer Steuereinrichtung (27) einstellbare Elemente (25, 26, 28) aufweisen, so dass durch die Steuereinrichtung (27) einstellbar ist, in welchem Ausmaß dem Ofen (2) das dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) entnommene Gas (9) und/oder das von der induktiven Heizeinrichtung (3) erwärmte Gas (9) zugeführt wird.
3. Heizungssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das erste und/oder das zweite Leitungssystem von einer Steuereinrichtung (27) einstellba- re Elemente (25, 26, 28) aufweist, so dass durch die Steuereinrichtung (27) einstellbar ist, in welchem Ausmaß das von der induktiven Heizeinrichtung (3) erwärmte Gas (9) dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) und/oder dem Ofen (2) zugeführt wird.
4. Heizungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass der Hochtemperaturwärmespeicher (1) als Schichtspeicher ausgebildet ist,
- dass dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) zum Erwärmen des in dem Ofen (2) befindlichen Gutes (6) das Gas (9) in einem oberen Bereich (11) entnommen wird und nach dem Durchströmen des Ofens (2) in einem unteren Bereich (10) wieder zugeführt wird und
- dass dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) zum Beladen das Gas (9) in dem unteren Bereich (10) entnommen wird und nach dem Durchströmen der induktiven Heizeinrichtung (3) in dem oberen Bereich (11) wieder zugeführt wird.
5. Heizungssystem nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das in dem Hochtemperaturwärmespeicher (1) befindliche Speichermaterial (4) aus kugelförmigen Speicherelementen (5) besteht.
6. Heizungssystem nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Speicherelemente (5) eine äußere Hülle (29) und einen inneren Kern (30) aufweisen und dass eine Phasenumwandlungstemperatur der inneren Kerne (30) unter einer Schmelztemperatur der äußeren Hüllen (29) liegt und/oder die Kerne (30) aus dem gleichen Material bestehen wie das in dem Ofen (2) befindliche Gut (6) oder dass die inneren Kerne (30) aus einem Gemisch mehrerer Stoffe bestehen und die Anteile der Stoffe mit der Temperatur (T) des Hochtemperaturwärmespeichers (1) variieren.
7. Heizungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Speichermaterial (4) eine Keramik ist.
8. Heizungssystem nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ofen (2) derart ausgelegt ist, dass das in dem Ofen (2) befindliche Gut (6) ein Walzgut aus Metall ist, insbesondere aus Stahl.
9. Heizungssystem nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ofen (2) derart ausgelegt ist, dass das Walzgut als flaches, langgestrecktes Walzgut ausgebildet ist.
10. Heizungssystem nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gas (9) aus Wasserdampf und/oder Kohlendioxid besteht.
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