AT394200B - Verfahren zur nutzung und/oder speicherung von energie aus der umwelt - Google Patents

Description

AT 394 200 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung und/oder Speicherung von Energie aus der Umwelt unter Verwendung eines mittels Sorptionen arbeitenden Speichermediums, in welchem beim Energieladen Exergie von kleineren Ungleichgewichtszuständen der Temperatur und/oder der relativen Feuchte durch Desorption einer sorptiv am Speichermedium gebundenen, flüchtigen Komponente mittels eines gasförmigen, inerten Trägermediums, das nur einen geringen Gehalt an sorbierbarer, flüchtiger Komponente aufweist, in dem Speichermedium zu hoher Dichte akkumuliert wird und die gespeicherte Energie bei Bedarf beim Entladen mittels eines gasförmigen, inerten Trägermediums, das sorbierbare, flüchtige Komponente enthält, für die Umwandlung in Wärme oder Kälte von gewünschten Niveau abgezogen wird.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Energie aus der Umwelt und insbesondere die solare Einstrahlung unter Verwendung eines mittels chemischer Reaktionen oder Sorptionen arbeitenden Speichermediums zu nutzen. So ist beispielsweise die Speicherung von solarer Energie in einem Aufsatz in Solar Energy, 22 (1979), S. 489-495, beschrieben, wobei hier die Adsorptionswärme von Feuchtigkeit an Zeolith-Molekularsieben ausgenutzt wird. Als Nachteil ist hier angegeben, daß relativ hohe obere Temperaturen erforderlich sind, um die maximale Speicherkapazität des verwendeten Zeolith-Materials auszunutzen, beispielsweise 250 °C, dennoch wird hier angegeben, daß eine Speicherung der Energie in Zeolith gegenüber einer Speicherung in Wasser, Gesteinen oder in Latentwärmespeichem vorteilhaft sei. Weitere Reaktionssysteme zur Wärmespeicherung und Wärmetrans-formation sind in VDI-Berichte Nr. 288 (1977), S. 111-114 beschrieben. Beispiele für solche Systeme sind:

Systeme unter Verwendung von Ammoniak:

LiC1.4NH3(fest) ^ LiCl(fest)+4 NH3(gas)

CaCl2.8NH3(fest) ^ CaCl2.2NH3(fest) + 6 NH3(gas) H20.rNH3(flüssig) ^ H20.(r-n)NH3(flüssig) + n NH3(gas) Systeme unter Verwendung von Wasser:

LiC1.3H20(fest) ^ LiCl(fest) + 3 H20(gas) H2S04jH20(flüssig) ? H2S04 . (r-n)H20(fliissig) + nH20(gas)

Sorptionsmittel.H20(fest) Sorptionsmittel(fest)+H20(gas)

Sorptionsmittel sind z. B. Molekularsiebe wie natürliche oder synthetische Zeolithe, Kieselgel (Silicagel) und CaCl2.

Weitere Systeme verwenden als sorbierbare Komponente Methanol.

Ganz allgemein entsprechen diese Reaktionen oder Sorptionen der folgenden Gleichung:

AB + Wärme ^ A + B wobei A dem Speichermedium im energiebeladenen Zustand in bezug auf die Komponente B entspricht, d. h. bei Reaktion mit oder Sorption der Komponente B wird Wärme freigesetzt.

Aus Solar Energy, 1£ (1977) S. 233-238 ist die Energiespeicherung für Trocknungs- und Heizsysteme bekannt, bei welch» beim Energieladen des Speichermediums, d. h. bei der Desorption von Wasser hieraus, auch die Exergie von kleineren Ungleichgewichtszuständen der Temperatur und/oder der relativen Feuchte, z. B. Luft mit einer Temperatur von 56 °C und einem Wassergehalt von 0,018 kg/kg Luft, ausgenutzt wird. In dieser Literaturstelle ist jedoch nichts über die Verwendung eines Arbeitsmediums und auch nichts darüber ausgesagt, daß beim Energieentladen ein gasförmiges, inertes Trägermedium verwendet werden könnte, das sorbierbare flüchtige Komponente, d. h. Wasser, in höherer Konzentration als bei der Desorptionsstufe enthält, ferner ist auch nichts darüber ausgesagt, daß in dem beim Energieentladen abgezogenem inerten Trägermedium vorhandene Restexergie noch ausgenützt werden könnte.

Eine andere Arbeitsweise zur Nutzung von Energie aus der Umwelt stellen die sogenannten Wärmepumpensysteme dar. Bei diesen Systemen wird jedoch z. B. elektrischer Strom oder Wärme hoher Temperatur in Nutzwärme unter Ausnutzung des Wärmepumpeneffektes umgewandelt, so daß im Vergleich zu einer direkten Umwandlung dieser Energie in Wärme eine "Wärmevermehrung" bis zu einem Faktor in der Größenordnung von -2-

AT 394 200 B 3 erreicht werden kann.

Die Ausnutzung von Sonnenenergie mittels Solarkollektoren, wie sie bislang angewandt wird, weist jedoch große Nachteile auf, da zumindest bei den Breitengraden in Europa eine ausreichend starke Sonneneinstrahlung nur im Sommer gegeben ist, so daß eine Speicherung der mit Solarkollektoren aufgefangenen Energie 5 erforderlich wird. Diese Speicherung stellt jedoch wesentliche Probleme dar, da entweder nur eine Kurzzeitspeicherung, beispielsweise in ausreichend großen Wasserspeichem mit entsprechend aufwendiger Isolation, möglich ist oder spezielle und daher technisch aufwendige Solarkollektoren verwendet werden müssen, wenn eine Langzeitspeicherung, beispielsweise in Zeolithspeichem, gewünscht wird, da hier die bereits zuvor genannten hohen Temperaturen zur vollständigen Regenerierung des Speichers als erforderlich angesehen wurden. Außerdem 10 ist eine Regenerierung eines solchen Langzeitspeichers praktisch nur in den Sommermonaten mit starker, direkter Sonneneinstrahlung möglich, so daß der Speicher, falls dieser die einzige Wärmequelle darstellt, eine Kapazität für die gesamten Wintermonate aufweisen muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei der Nutzung von Energie, d. h. dem Abziehen von Exergie aus einem Speichermedium, die gespeicherte Exergie möglichst vollständig auszunutzen. IS Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß a) beim Energieladen das gasförmige, inerte Trägermedium mit geringem Gehalt an sorbierbarer, flüchtiger Komponente vor dem Einleiten in das Speichermedium zunächst durch ein von sorbierbarer, flüchtiger Komponente freies Arbeitsmedium zur möglichst vollständigen Befreiung von sorbierbarer, flüchtiger Komponente geleitet wird, wobei eine Teilströmung des von sorbierbarer, flüchtiger Komponente befreiten Trägermediums zum Energieladen des Aibeitsmediums eingesetzt 20 wird und die restliche Teilströmung dieses Trägermediums zur Desorption des Speichermediums verwendet wird, b) beim Energieentladen ein gasförmiges, inertes Trägermedium verwendet wird, das die sorbierbare, flüchtige Komponente in höherer Konzentration als bei der Desorptionsstufe enthält, und/oder c) die in dem beim Energieentladen abgezogenen, gasförmigen, inerten Trägermedium enthaltene Restexergie zum Energieladen von weiterem Speichermedium, in welchem keine oder nur geringe Exergie akkumuliert ist, verwendet wird. 25 Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 und in der folgenden Beschreibung näher gekennzeichnet

Die Erfindung betrifft auch die Anwendung solcher Verfahren zur Deckung des Heizungs- und/oder Kältebedarfs von Gebäuden oder Fahrzeugen oder Fahrzeugteilen oder zur Warmwasserbereitung oder zur Deckung des Wärmebedarfs zur Vorheizung von Verbrennungsmotoren. 30 Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere im Niedertemperaturbereich anwendbar, d. h. bei Temperaturen um und unter 100 °C.

Der in der Beschreibung verwendete Ausdruck "Exergie" stammt aus der Thermodynamik und bedeutet die freie Enthalpie bzw. technische Arbeitsfähigkeit eines Systems, bezogen auf den Zustand der herrschenden Umgebung. Bei der "Exergie" handelt es sich um in andere Energieformen umwandelbare Energien. Der Ausdruck 35 "Anergie", der ebenfalls aus der Thermodynamik stammt bedeutet nicht-umwandelbare Energie, beispielsweise die kalorische Energie der Umgebung, zur Definition siehe Lueger, "Lexikon der Technik", Verfahrenstechnik, Band 1, Seiten 128/129 (1972).

Unter dem in der Beschreibung verwendeten Ausdruck "Exergie von kleineren Ungleichgewichtszuständen der Umwelt" sind daher solche Zustände zu verstehen, bei denen keine großen Temperaturdifferenzen vorherrschen, 40 wie beispielsweise Fernwärme, Abwärme, Verbrennungswärme, Gärungs- und Fermentationswärme, deren Temperatumiveau relativ niedrig liegen kann, z. B. unterhalb von 50 °C und sogar auch unterhalb von 40 °C. Die Verfügung dieser genannten Wärmequellen braucht wegen der zeitlich dehnbaren und zeitlich beliebig unterbrechbaren Akkumulation von Energie im Speichermedium nicht auf einen möglichen zeitlichen Spitzenbedarf an Wärme ausgelegt zu werden, sondern auf den Jahresmittelwert an Wärmebedarf. So läßt sich 45 beispielsweise mit kleinen solaren Einstrahlungen, wie sie im Winter, während Schlechtwetterperioden oder früh am Morgen oder spät am Abend anfallen, über Solarkollektoren die Speicheraufladung weiter betreiben, obwohl im Solarkollektor nur Wärme bei einem so tiefen Temperatumiveau anfallt, das für direkte Wärmeversorgung bislang nicht verwendbar gewesen wäre. Diese Eigenschaft, daß Wärme mit einer Temperatur unterhalb der Temperatur eingesetzt wird, bei der beim Abziehen der Exergie für die Umwandlung in Wärme aus dem 50 Speichermedium nutzbar wird, wobei hier der an sich bekannte chemische Wärmepumpeneffekt ausgenutzt wird, gibt den weiteren Vorteil, daß eine Verkleinerung des Volumens von Jahreslangzeitspeichem für solare Energie, die beispielsweise für Heizungszwecke eingesetzt werden, möglich wird.

Der zweite große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß in der Stufe b) die Restexergie ausgenutzt wird, wodurch eine ganz erhebliche Mehmutzung der aus der Umwelt oder Umgebung entnommenen 55 Energie möglich wird, so daß u. a. das Volumen an Speichermedium wesentlich verringert werden kann, da entladenes Speichermedium während des Abziehens von Exergie gleichzeitig wieder aufgeladen wird und dann wieder zum Abziehen von Exergie zur Verfügung steht.

Diese Stufe b) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann selbstverständlich auch dann angewandt werden, wenn beim Energieladen in konventioneller Weise vorgegangen wurde, z. B. ein Speichermedium wie Zeolith mit Luft 60 von 250 °C regeneriert worden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders vorteilhaft im Kolonnenbetrieb und bei Verwendung eines festen Speichermediums auch chargenweise durchgeführt, da dann der Wirkungsgrad besonders gut ist und es -3-

AT 394 200 B außerdem möglich wird, die zum Betrieb des Verfahrens erforderliche Fremdenergie zum Umpumpen des inerten, gasförmigen Trägermediums geringer zu halten. Bei Verwendung eines festen Speichermediums sollte die Höhe einer Kolonne zur Minimierung der beim Transport des Trägermediums auftretenden Druckverluste auf Werten zwischen 0,5 und 2 m und insbesondere von 0,75 bis 1,5 m liegen. Ganz allgemein kann jedoch gesagt werden, daß diese Fremdenergie oder parasitäre Energie für den Transport des Trägermediums und ebenso die Fremdenergie zum Umpumpen eines flüssigen Arbeitsmediums und auch Speichermediums im Vergleich zu der speicherbaren Energie gering ist und nur in der Größenordnung von wenigen Prozenten dieser speicherbaren Energie beträgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als sorbierbarer Stoff Wasser verwendet wird, da dieses unbegrenzt zur Verfügung steht und das Verfahren somit gegen die Atmosphäre offen betrieben werden kann. Bei Verwendung von anderen sorbierbaren Stoffen wie Ammoniak oder Methanol ist es natürlich erforderlich, das erfindungsgemäße Verfahren in einem gegen die Atmosphäre geschlossenen Kreislaufsystem durchzuführen, dies erfordert jedoch nur die zusätzliche Anbringung von entsprechenden Wärmetauschern. Das Betreiben eines geschlossenen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch zweckmäßigerweise nur bei Ausnutzung der Exergie von kleinen Ungleichgewichtszuständen in Form von Temperaturdifferenzen angewandt

Wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Exergie unter Umwandlung in Kälte aus dem Speichermedium gewonnen werden soll, wird diese Kälte in Form von Verdunstungskälte genommen, welche entsteht, wenn flüssige, sorbierbare Komponente von dem beladenen Speichermedium aufgenommen wird. Hierzu ist es lediglich erforderlich, einen Behälter mit flüssiger, sorbierbarer Komponente in Gaskontakt mit regeneriertem Speichermedium zu bringen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der folgenden Beschreibung näher erläutert, wobei hier einige experimentell erzielte Ergebnisse angegeben sind. In der Zeichnung sind: Fig. 1 ein Fließschema, worin das Speichermedium in zwei verschiedenen Zuständen dargestellt ist; Fig. 2 ein Fließschema der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher ein Arbeitsmedium verwendet wird; Fig. 3 ein Fließschema der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher bei Verwendung eines Arbeitsmediums zusätzlich Energie durch einen Solarkollektor zugeführt wird; Fig. 4 ein Fließschema der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches die Nutzwärmegewinnung gemäß Stufe b) im geschlossenen und im offenen Kreislauf näher erläutert; Fig. 5 ein Fließschema für eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Anlage zur Beheizung von Gebäuden.

Die Verfahrensweise der Exergiebeladung des Speichermediums wird im folgenden näher erläutert, wobei hier ein Zeolith-Wasser-System verwendet wird. In dem in der Fig. 1 dargestellten Speichermedium (I) befindet sich mit Wasserdampf beladener, d. h. energetisch entladener Zeolith. Durch diese Kolonne wird von unten möglichst trockene Umgebungsluft mit der relativen Feuchte ((pu) und der Temperatur (Tu) durchgeschickt. Die Kolonne (I) dient zugleich als Vorratsbehälter.

Wie bereits zuvor beschrieben, wird selbst bei der Umgebungstemperatur, auf welcher sich das Speichermedium (I) befindet, beispielsweise bei 20 °C, Wasserdampf aus dem Zeolith desorbiert und mit dem Luftstrom abgeführt. Die Desorptionswärme wird bei adiabatischer Prozeßführung, d. h. isolierter Kolonne (I), dem Gasstrom entnommen oder muß bei isothermer Prozeßführung der Kolonne (I) fortwährend als Umgebungswärme (Anergie) zugeführt werden. Es stellt sich schließlich ein Gleichgewicht zwischen der Wasserbeladung (n) des Zeoliths und dem Wasserdampfpartialdruck (pw) des von außen zugeführten Luftstroms ein. (n) wird um so kleiner, je kleiner (pw) und je höher die Umgebungstemperatur (Tu) ist, wobei der quantitative Zusammenhang von der verwendeten Zeolithsorte abhängt. Als Beispiel für einen Zeolith vom X-Typ sei angeführt, daß bei Tu = 25 °C eine Verminderung der Wasserbeladung um 27 % erreicht wird, d. h. von 0,29 g Wasser/g Zeolith bei φ = 100 % auf 0,21 g Wasser/g Zeolith bei <pu = 10 %. Solche trockene Umgebungsluft steht jedoch bei besonderen Wetterlagen und in bestimmten, ariden Zonen zur Verfügung.

Wegen des Verlaufs der integralen Adsorptionswärme dieses Zeolithtyps entspricht dies einer energetischen Aufladung von 21 % der Gesamtspeicherkapazität.

Im Anschluß an das "Trocknen" des Speichermediums (I) in der Kolonne (I) liegt dieses als Speichermedium (Π) in der Kolonne (Π), wie rechts in Fig. 1 dargestellt, vor. Beim Durchleiten von Umgebungsluft mit 100 % relativer Feuchtigkeit wird die in dem Speichermedium (Π) gespeicherte Energie über die Kondensations- und Adsorptionswärme von Wasserdampf an Zeolith als Temperaturerhöhung der Luft von (Tu) auf (TQ) nutzbar.

Die 100 % feuchte Luft läßt sich in bekannter Weise durch Befeuchten von Umgebungsluft darstellen, bei-spielsweise durch einfaches Leiten von Luft durch oder über Wasser, wobei die erforderliche Verdunstungswärme des Wassers aus der Umgebung bei der Temperatur (Tu) d. h. als Anergie, aufgenommen wird.

Selbstverständlich ist es auch noch möglich, der dem Speichermedium zugeführten Umgebungsluft mit einem Feuchtigkeitsdefizit noch zusätzlich Wärme mit geringem Temperatumiveau, z. B. aus einem Solarkollektor oder im Wärmetausch aus verbrauchtem Warmwasser aus Haushalten oder sonstigen Quellen zuzuführen, wodurch der Wirkungsgrad der energetischen Aufladung des Speichers noch erhöht werden kann.

In der Fig. 2 ist ein Fließschema für die erfindungsgemäße Verfahrensweise unter Verwendung eines Arbeitsmediums dargestellt. Als Speichermedium wird hier ebenfalls wieder Zeolith als bevorzugtes, festes, -4-

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Wasser absorbierbares Speichermedium verwendet, aus welchem adsorptiv gebundenes Wasser durch einen trockenen Luftstrom entfernt wird. Durch die Desorption von Wasser wird das Speichermedium in bezug auf die Umkehrreaktion der Adsorption von Wasserdampf energetisch aufgeladen. Der zur energetischen Aufladung des Speichermediums erforderliche trockene Luftstrom wird mit Hilfe eines Arbeitsmediums, das im vorliegenden Fall ebenfalls ein Zeolith sein soll, aus dem Exergieunterschied zwischen nicht völlig mit Wasserdampf gesättigter Umgebungsluft mit einer relativen Feuchte (pu < 100 % und Umgebungstemperatur (Tu) und völlig mit Wasserdampf gesättigter Umgebungsluft mit relativer Feuchte φ = 100 % und Umgebungstemperatur (Tu) gewonnen. Die 100 % feuchte Luft läßt sich in der zuvor beschriebenen Weise durch Befeuchten von Umgebungsluft unter Deckung des Verdunstungswärmebedarfs aus der Anergie der Umgebung gewinnen. In der Kolonne (1) (Fig. 2) befindet sich bei Betriebsbeginn ein trockener Zeolith. Beim Durchleiten von mit Wasserdampf gesättigter Luft entsteht heiße, trockene Luft der Temperatur (T0). In Versuchen wurde gefunden, daß bei Luft mit Tu = 20 °C eine Temperatur von T0 = 85 °C bei der aus dem Speichermedium (1) austretenden Luft erhalten wird. Die Wärme entsteht bei der Adsorption des Wasserdampfs am Zeolith und die Adsorptionsfront schreitet bei dieser Prozeßführung mehr oder weniger scharf von unten nach oben in dem Speichermedium (1) fort, d. h. es handelt sich um ein quasi-Gegenstromprinzip. Die Kolonne ist thermisch isoliert. Über ein kontinuierlich verstellbares Dreiwegeventil (Dj) wird ein Teilstrom der heißen, trockenen Luft in eine zweite Kolonne (2) mit Speichermedium (2) geführt. Diese enthält ebenfalls Zeolith, der zuvor durch Durchleiten von möglichst trockener Umgebungsluft mit einer relativen Feuchte φ < 100 % auf eine geringe Wasserbeladung gebracht worden ist, was mit Hilfe der Kolonne (3) von Fig. 2 durchgeführt werden kann. Aus diesem Grunde genügt ein Teilstrom der Luft, welche in diesem Fall das gasförmige, inerte Trägermedium darstellt, aus der Kolonne (1) zur Wasserdesorption aus der Kolonne (2) und der Reststrom dies«· trockenen Luft aus der Kolonne (1) kann als Nutzstrom zur energetischen Beladung des Speichermediums verwendet werden. Das Aufteilungsverhältnis Nutzstrom/Gesamtstrom an trockener Luft ist umso vorteilhafter, je geringer die Wasserbeladung in der Kolonne (2) ist, d. h. je trockener die verfügbare Umgebungsluft ist

Wenn die Adsorptionsfront in der Kolonne (1) oben angekommen ist, soll bei richtiger Einstellung des Aufteilungsverhältnisses der Zeolith in der Kolonne (2) gerade von seiner Wasserbeladung befreit sein. Die Kolonne (2) wird dann an die Stelle der Kolonne (1) geschaltet, die Kolonne (3) an die Stelle von Kolonne (2) und die Kolonne (1) an die Stelle von Kolonne (3). Auf diese Weise wird ein nahezu kontinuierlicher Betrieb möglich. Infolge von Verlustprozessen und Irreversibilitäten sowie für die Gewährleistung einer vorteilhaften und wirtschaftlichen Betriebsweise hinsichtlich des Aufwands an Fremdenergie für die Luftumwälzung in bezug auf die erhaltene, gespeicherte Energie sollte für diese Betriebsweise die relative Feuchte (<pu) der Umgebungsluft möglichst gering sein und beispielsweise 55 % nicht überschreiten.

Das Verfahren kann, da jederzeit eine Unterbrechung der Exergiespeicherung möglich ist, so betrieben werden, daß mittels geeigneter, automatischer Steuereinrichtungen bei Werten von φ > 55% der Umgebungsluft die Anlage ausgeschaltet wird und sich erst dann automatisch wieder einschaltet, wenn in der Umgebungsluft φ < 55 % erreicht hat.

In der Fig. 3 ist eine Arbeitsweise unter Verwendung von Zeolith als Arbeitsmedium mit Wasser als sorbierbarer, flüchtiger Komponente und Luft als Trägermedium zur Erzeugung der exergieieichen, trockenen und warmen Luft, die zur Energieladung des Speichermediums, wobei dies Zeolith oder Schwefelsäure oder eine andere hygroskopische Substanz sein kann, dargestellt.

Die Kolonnen (X und 2) sind mit Arbeitsmedium Zeolith gefüllt. Luft aus der Umgebung, die einen möglichst niedrigen Wassergehalt haben sollte, wird durch die Kolonne (1), welche trockenen Zeolith enthält, geleitet Dabei wird sie von Wasserdampf befreit und durch die Kondensations- und Adsorptionswärme aus diesem Sorptionsprozeß von der am Eintritt herrschenden Temperatur (Tu) auf die höhere Temperatur (T0) gebracht Anschließend wird ihre Temperatur in einem Solarkollektor (S) weiter auf (T2) erhöht. Die warme, trockene Luft durchläuft dann die Kolonne (2), die wasserdampfbeladenen Zeolith enthält. Die Luft verläßt schließlich mit Wasserdampf beladen die Kolonne (2). Entscheidend ist aber, daß infolge der Temperaturdifferenz (T2-T0) aus der Kolonne (2) das dort an Zeolith adsorbierte Wasser rascher entfernt wird, als die Kolonne (1) durch den Wassergehalt der angesaugten Umgebungsluft mit der relativen Feuchte (cpu) befeuchtet wird. Es ist deshalb bei einer Arbeitsweise möglich, nur einen Teilstrom durch die Kolonne (2) zu leiten, der regeltechnisch über den Dreiwegehahn (D2) so bemessen wird, daß die Kolonne (2) dann trocken ist, wenn die Kolonne (1) gerade mit Wasser adsorptiv voll beladen ist. Durch anschließendes Vertauschen der Kolonnen (1 und 2) im Strömungsweg ist somit ein stetiger Luftrocknungs- und Lufterwärmungsbetrieb, d. h. eine Exergiebeaufschlagung des Trägermediums möglich. Der restliche Teil an trockener und warmer Luft, der über das Dreiwegeventil (D2) über die Leitung (b) abgezogen wird, steht als Nutzstrom zur Exergieübertragung auf den eigentlichen Speicher mit dem Speichermedium zur Verfügung.

Bei einer anderen Betriebsweise zur Erzeugung von trockener und warmer Luft, kann durch die Kolonne (2) -5-

AT 394 200 B zu Beginn der ganze Luftstrom bis zur raschen und vollen Desorption des Arbeitsmediums von Wasser geführt werden, und anschließend wird der volle Strom als Nutzstrom für das Speichenmedium zur Verfügung gestellt, bis die Kolonne (1) mit Wasser voll beladen ist. Dann werden die Kolonnen (1 und 2) vertauscht und der Zyklus erneut gefahren. Zur Wärmeeinkopplung kann der Solarkollektor (S) auch an die Stelle (E) von Fig. 3 gelegt werden. Bei geringer absoluter Feuchtigkeit der Außenluft und/oder hoher solarer Einstrahlung oder zum anfänglichen Vortrocknen des Speichermediums kann es ausreichend und verfahrenstechnisch vorteilhaft sein, die Kolonne (1) ganz oder teilweise über den Dreiwegehahn (Dj) zu umgehen.

Statt eines Chargenbetriebes mit der periodischen Vertauschung der Kolonnen (1 und 2), welche im quasi-Gegenstrombetrieb arbeiten, läßt sich bei Verwendung eines flüssigen, hygroskopischen Arbeitsmediums ein echter Gegenstrombetrieb fahren, bei dem das flüssige Arbeitsmedium, z. B. Schwefelsäure, kontinuierlich umgepumpt wird.

Der Aufwand an Fremdenergie zur Umwälzung des Trägermediums Luft in bezug auf die dabei erreichte, energetische Speicherladung fällt um so kleiner aus, je geringer die relative Feuchte (cpu) der Eingangsluft und je höher die Temperatur (T2) sind. Zur Verringerung von Wärmeverlusten und Verlusten aus Strömungswiderständen wird, wie zuvor beschrieben, vorteilhafterweise ein festes Speichermedium in Form einer Vielzahl von Kolonnen eingesetzt, die keine all zu große Füllhöhe aufweisen, so daß keine zu großen Druckverluste auftreten, wobei diese Kolonnen zeitlich nacheinander zur Ladung oder Entladung benutzt werden.

Bei den Verfahrensweisen gemäß den Fig. 1,2 und 3 wurden Beispiele gezeigt, bei denen die Energieladung des Speichermediums aus kleinen Ungleichgewichtszuständen der Umgebung wie Temperaturen unter 100 °C, wobei diese bis 60 °C oder 40 °C herabreichen können, oder kleinen, solaren Einstrahlungsleistungen möglich wird. In den Beispielen wurde mit Hilfe eines trockenen und/oder warmen Inertgasstroms als Trägermedium, der sich auf verschiedenen Wegen erzeugen läßt, durch Desorption von Wasserdampf Exergie in hygroskopisches Speichermedium gebracht bzw. hierin akkumuliert. Diese Verfahrensweise kann umschrieben werden als fortlaufende Exergieübertragung aus dem strömenden Trägergas auf das Speichermedium und damit als eine fortlaufende Akkumulation von Exergie im Speichermedium. Ein weiterer Ungleichgewichtszustand ist Luft mit rel. Feuchte φ < 55 %. Bei den im folgenden beschriebenen Verfahren der Gewinnung von nutzwärme höherer Temperatur, insbesondere zur Deckung des Heizungsbedarfs von Gebäuden oder Fahrzeugen bzw. Fahrzeugteilen oder zur Warmwasserbereitung oder zur Deckung des Wärmebedarfs für die Vorheizung von Verbrennungsmotoren aus dem Exergieinhalt des Speichermediums, ist es unerheblich, aus welchen Umweltquellen Exergie vermittelt durch das Trägergas ins Speichermedium akkumuliert worden ist. Deshalb ermöglichen es die beschriebenen Verfahrensweisen, daß aus dem Speicher Nutzwärme bei höheren Temperaturen, wie beispielsweise in der Größenordnung von 100 °C, gewonnen wird, als jemals bei der Aufladung des Speichers verfügbar war.

So läßt sich beispielsweise mit kleinen winterlichen solaren Einstrahlungen oder solarer Einstrahlung bei bedecktem Wetter über Solarkollektoren die Speicheraufladung weiter betreiben, obwohl im Solarkollektor nur Wärme bei einem so tiefen Temperatumiveau anfällt, das für direkte Wärmeversorgung oder Wärmenutzung nicht verwendbar gewesen wäre.

Im folgenden wird die Stufe b) des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Für die Erzeugung von Nutzwärme mittels der im Speichermedium akkumulierten Exergie lassen sich entweder ein geschlossener oder insbesondere bei Verwendung hygroskopischer Speichermedien ein offener Kreislauf des Trägermediums anwenden. Die Verfahrensweisen werden beispielhaft anhand der Fig. 4 dargestellt.

Bei (A) wird Umgebungsluft mit 100 % relativer Feuchte, wie sie bekanntlich durch Befeuchtung und Aufnahme von Verdunstungswärme aus der Umwelt bei Umgebungstemperatur hergestellt werden kann (Nutzung der Anergie), in die Kolonne (I) eingeführt, die trockene, d. h. energetisch aufgeladenes, hygroskopisches Speichermedium und insbesondere Zeolith oder Schwefelsäure enthält. Der Wasserdampf wird in einer praktisch scharfen Front absorbiert, die bei fortwährender Luftzufuhr durch die Speicherkolonne von unten nach oben fortschreitet, wobei es sich hier bei Verwendung eines festen Speichermediums wieder um einen quasi-Gegenstrombetrieb handelt oder bei Verwendung eines flüssigen, hygroskopischen Trägermediums wie Schwefelsäure durch Umpumpen stationär gehalten werden kann, wobei es sich hier um ein Gegenstromprinzip in flüssig-gasförmigen Systemen handelt. Wenn bei einem festen Speichermedium die Adsorptionsfront das obere Ende der Kolonne (I) erreicht hat und damit die Exergie aus der Kolonne (I) völlig abgezogen worden ist, wird der Luftstrom auf eine nächste, exergetisch geladene Kolonne umgeschaltet usw.

Die abfließende Luft hat eine zu ihrer Eintrittstemperatur (TA) erhöhte Temperatur (Tj·), weil die gesamte

Kondensations- und Adsorptionswärme ihres ursprünglichen Wasserdampfgehaltes von ihr fortgeführt werden muß. Nutzwärme (Qj^) wird im anschließenden Wärmetauscher, beispielsweise für Heizzwecke, abgeführt, wobei sich der Luftstrom (Tp) auf (Tj^) abkühlt. (T^) ist hierbei die tiefste Temperatur, bei der Nutzwärme verwendet werden kann, bei Anwendungen für Heizungszwecke liegt dieser Wert beispielsweise bei 30 °C. Der verbleibende Luftstrom hat in bezug auf die Eintrittstemperatur (TA), die meistens der (kalten) Umgebungstemperatur entsprechen wird, noch restliche Wärmeenergie, die bei Führung über die Leitung (B) in einem Wärmetauscher zurückgewonnen werden kann. Dadurch steigt die Eintrittstemperatur (Tj) der Eingangsluft für -6-

AT 394 200 B die Kolonne (I) an, was die Folge hat, daß auch (Tf) ansteigt. Auf das frei wählbare Temperatumiveau (TN) der Nutzwärme wird durch diese Verfahrensführung die positive Temperaturdifferenz (Tj-Tj) beaufschlagt, abgesehen von Temperaturverlusten im unteren Wärmetauscher.

Beispielsweise wurde bei einem Versuch unter Verwendung von Zeolith als Speichermedium mit TA = 10 °C und TN = 30 °C ein Wert für Tf = 65 °C gefunden, bei einer Anfangstemperatur TA = 0 °C mit Tj^ = 30 °C wurde Tf=47 °C und TA=-5 °C mit TN=30 °C wurde Tf=41 °C erhalten.

Die bei dieser Verfahrensführung über die Leitung (B) erhaltene Abluft ist nach dem Austritt aus dem unteren Wärmetauscher trocken und enthält somit noch Exergie in bezug auf die Sorption von Wasserdampf an hygroskopische Speichermedien. Diese restliche Exergie des Trägermediums läßt sich wieder akkumulieren, indem sie z. B. durch eine mit Wasserdampf bereits beladene, d. h. energetisch bereits entladene Kolonne (Π) mit Speichermedium geführt wird. Die aus dieser Kolonne abströmende Luft trägt dann Wasserdampf mit sich, wodurch in der Kolonne (II) Exergie akkumuliert wird. Beispielsweise wurde bei einer thermisch isolierten Kolonne mit Zeolith als Speichermedium gefunden, daß für eine Eintrittstemperatur von 10 °C der trockenen Luft aus dem unteren Wärmetauscher in die Kolonne (II) die Temperatur der die Kolonne (Π) verlassenden Luft nahe 0 °C lag und daß diese Luft einen Wasserdampfpartialdruck (pjj) von etwa 5 mbar besaß.

Bei dieser Prozeßführung wird daher bei der gleichen Nutzwärmeproduktion eine im Mittel verringerte Wasserbeladung des hygroskopischen Speichermediums um das Verhältnis f = (pj - Pn)/Pi erreicht, wobei (pj) der Wasserdampfpartialdruck der Eingangsluft bei (A) bedeutet. Bei pj = 12,3 mbar, d.h. dem Sättigungsdampfdruck für Wasser bei 10 °C, und einem Wert von pjj = 5 mbar ergibt sich der Wert f = 0,6, dies entspricht einer effektiven Speicherkapazitätserhöhung um den Faktor 1,67.

Dies bedeutet für die gegebenen Zahlenwerte, daß auf 1 Volumen bei der Exergieentladung verbrauchtem Speicher 0,6 Volumenteile anderes Speichermedium wieder mit Exergie beladen werden, d. h. im Zyklus zusätzlich zur Verfügung stehen.

Bei einem isothermen Betrieb der Kolonne (Π) lassen sich noch größere Faktoren der Speicherkapazitätserhöhung erreichen. Über (C-D) ist in der Fig. 4 ein alternativer, geschlossener Kreislauf des Trägermediums dargestellt. Nutzwärme (Qj^) wird dabei ausschließlich aus der im Medium der Kolonne (I) gespeicherten Energie gewonnen. Der Vorteil des offenen Kreislaufs, wie er über den Weg (A-B) in Fig. 4 dargestellt ist, liegt darin, daß mit dem Wasserdampf, der mit der Eingangsluft in die Kolonne (I) eintritt, dessen hohe latente Verdampfungswärme, die von der Umwelt aufgebracht wurde, zusätzlich als Nutzwärme gewonnen wird, d. h. daß ein chemischer Wärmepumpeneffekt ausgenutzt wird. Für einen Zeolith des X-Typs sind die gewinnbaren Nutzwärmen pro 1 Zeolith-Speichermedium wie folgt 1. bei intern geschlossenem Kreislauf (C-D) nach Fig. 4: QN = 0,12 kWh/Liter Zeolith 2. bei Verwendung von feuchter Eingangsluft im offenen Kreislauf nach (A-B) gemäß Fig. 4:

Qjsj - 0,26 kWh/Liter Zeolith 3. bei Prozeßführung über den Weg (A-B) wie im Falle 2., jedoch mit der Nutzung der restlichen Exergie der trockenen Abluft bei adiabatischer Kolonne (Π)

Qn = 0,42 kWh/Liter Zeolith.

Bei den zuvor beschriebenen, im Labormaßstab durchgeführten Versuchen wurden Kolonnen mit einem inneren Durchmesser von 3,0 cm für das Speichermedium mit einer Zeolithfüllung von 1 m Höhe und für das Arbeitsmedium dieselben Kolonnen jedoch mit einer Zeolithfüllung von 60 cm Höhe verwendet Bei Einsatz von Schwefelsäure als Speichermedium oder als Arbeitsmedium wurde in Kolonnen von 3,0 cm innerem Durchmesser, welche mit Raschigringen als Füllkörper gefüllt waren, gearbeitet

In der Fig. 5 ist schematisch der Aufbau und die Schaltung einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt wobei die Nutzwärme für Heizungszwecke verwendet werden kann.

Bei "EIN" wird möglichst trockene Umgebungsluft zu der Anlage zugeführt ("ST") stellt den Ventilator für die Umwälzung des Trägermediums d. h. der Luft dar. (D) ist ein Wasserbefeuchter zur Wasserdampfsättigung. (Wj) entspricht dem unteren Wärmetauscher von Fig. 4, (I, II und ΠΙ) sind Zeolithspeicherkolonnen, (1 und 2) sind Kolonnen für Arbeitsmedium, im vorliegenden Fall ebenfalls mit Zeolith gefüllt, (S) ist ein Sonnenkollektor und (W2) ist der Wärmetauscher für das Abziehen der Nutzenergie. Der Vorteil dieser Anlage mit mehreren Zeolithspeichem liegt darin, daß durch entsprechende Schaltung der Dreiwegeventile ein Speicher, beispielsweise die Kolonne (I) als Wärme liefernder Speicher betrieben werden kann, daß in der Kolonne (Π) die in der aus der Kolonne (I) austretenden Luft vorhandene Exergie noch weiter ausgenutzt wird und daß die -7-

Claims (9)

1. AT 394 200 B Kolonne (ΠΙ) bei entsprechender Sonneneinstrahlung und Betrieb des Trocknungssystems mit den Kolonnen (1 und 2) mit Arbeitsmedium energetisch beladen wird. Als Werte für die Bemessung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Systems sei noch 9 1 angegeben, daß in Europa die solare Einstrahlung um den 50. Breitengrad rund 1100 kWh ιη'ώ a beträgt. Das Verhältnis der mittleren Einstrahlung im Juli und im Januar beträgt rund 8:1. Ein Standard Einfamilienhaus mit 1 9 Vollwärmeschutz benötigt rund 25 000 kWh a , wozu eine Kollektorfiäche von rund 75 m erforderlich wäre. Ein Warmwasser-Jahresspeicher hätte eine irreale Größe von rund 400 m^ bei einer angenommenen Jahres-Zyklenzahl von 1,5. Das (praktische) Heizöläquivalent für einen solchen Speicher wäre rund 3m^a'l Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines mit Zeolith arbeitenden Speichers ergeben sich aus der zuvor genannten Betriebsweise (A-B) nach Fig. 4 unter Nutzung der Restexergie der trockenen Abluft eine Speicherkapazität von 20 m^ bei einer Jahres-Zyklenzahl von 1,5. Geht man davon aus, daß durch die Nutzung solarer Strahlung in den Übergangsmonaten vor und nach dem Winter und im Winter selbst eine Zyklenzahl von über 2 realisierbar ist, würde sich die Speichergröße auf 15 m^ Zeolith reduzieren. Eine solche Zeolithmenge würde natürlich vorteilhafterweise in eine größere Anzahl von Speicherkolonnen aufgeteilt, beispielsweise bis zu 20 Speicherkolonnen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es daher möglich, auch Sorptionsmaterialien wie Zeolithe zur Heizung von Einfamilienhäusern einzusetzen, da einerseits Niedertemperaturquellen für die Aufladung des Zeolithspeichers verwendet werden können und andererseits bei der Entladung des Zeolithspeichers durch die Nutzung der restlichen Exergie eine um etwa 70 % höhere Energieausbeute in Form von Wärme möglich wird. Als besonders vorteilhaft hat sich ferner die Verwendung von Kieselgel und insbesondere von engporigem Kieselgel als Speicher- und Arbeitsmedium herausgestellt. Bei der Verfahrensweise gemäß Fig. 1 wurde in eine Kolonne (I) Luft eiiier relativen Feuchte von <pu = 3,2 % und mit einer Temperatur Tu = 75 °C eingeleitet. In der Kolonne (1) befand sich mit Wasserdampf beladenes, d. h. energetisch entladendes, engporiges Kieselgel, dessen Wassergehalt 39 Gew.-Teile Wasser auf 100 Gew.-Teile trockenes Kieselgel betrug. Beim Durchleiten der Luft wurde dieses Kieselgel in der Kolonne (I) bis auf einen Wassergehalt von 2,7 Gew .-Teilen auf 100 Gew.-Teile trockenes Kieselgel getrocknet. Die Luft mit einer Temperatur Tu = 75 °C und <pu = 3,2 % wurde aus Umgebungsluft von 20 °C und einer relativen Feuchte von φ = 52,6 % erzeugt, diese Umgebungsluft wurde in einem Solarkollektor auf 75 °C erwärmt. Solche Umgebungsluft steht im Sommer bei starker Sonneneinstrahlung, bei welcher die gewünschte Temperaturerhöhung auf 75 °C in einem Sonnenkollektor ebenfalls möglich ist, ohne Schwierigkeiten zur Verfügung. Ein auf diese Weise auf einen Wassergehalt von 2,7 Gew.-Teilen getrocknetes, d. h. energetisch beladenes, Kieselgel kann beliebig lange gelagert werden, und es liefert, wenn es gemäß Fig. 1 als Kolonne (II) mit Umgebungsluft von Tu = 10 °C und φ = 100 % beaufschlagt wird, eine obere Temperatur (TQ) beim Austritt aus der Kolonne (II) von etwa 40 °C. Dies reicht für Heizungszwecke aus, beispielsweise für Gebäude während der kalten Jahreszeit. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Nutzung und/oder Speicherung von Energie aus der Umwelt unter Verwendung eines mittels Sorptionen arbeitenden Speichermediums, in welchem beim Energieladen Exergie von kleineren Ungleichgewichtszuständen der Temperatur und/oder der relativen Feuchte durch Desorption einer sorptiv am Speichermedium gebundenen, flüchtigen Komponente mittels eines gasförmigen, inerten Trägermediums, das nur einen geringen Gehalt an sorbierbarer, flüchtiger Komponente aufweist, in dem Speichermedium zu hoher Dichte akkumuliert wird und die gespeicherte Energie bei Bedarf beim Entladen mittels eines gasförmigen, inerten Trägermediums, das sorbierbare, flüchtige Komponente enthält, für die Umwandlung in Wärme oder Kälte von gewünschtem Niveau abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß a) beim Energieladen das gasförmige, inerte Trägermedium mit geringem Gehalt an sorbierbarer, flüchtiger Komponente vor dem Einleiten in das Speichermedium zunächst durch ein von sorbierbarer, flüchtiger Komponente freies Arbeitsmedium zur möglichst vollständigen Befreiung von sorbierbarer, flüchtiger Komponente geleitet wird, wobei eine Teilströmung des von sorbierbarer, flüchtiger Komponente befreiten Trägermediums zum Energieladen des Arbeitsmediums eingesetzt wird und die restliche Teilströmung dieses Trägermediums zur Desorption des Speichermediums verwendet wird, b) beim Energieentladen ein gasförmiges, inertes Trägermedium verwendet -8- AT 394 200 B wird, das die sorbierbare, flüchtige Komponente in höherer Konzentration als bei der Desorptionsstufe enthält, und/oder c) die in dem beim Energieentladen abgezogenen, gasförmigen, inerten Trägermedium enthaltene Restexergie zum Energieladen von weiterem Speichermedium, in welchem keine oder nur geringe Exergie akkumuliert ist, verwendet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem von sorbierbarer, flüchtiger Komponente in Stufe a) möglichst vollständig befreiten, gasförmigen, inerten Trägermedium oder dem gasförmigen, inerten Trägermedium vor dem Durchleiten durch das Arbeitsmedium in Stufe a) Wärme, insbesondere mittels eines auch bei geringer solarer Einstrahlung mit niedriger Temperaturerhöhung arbeitenden Solarkollektors oder auch aus Wärmequellen von niedrigem Temperatumiveau, zugefiihrt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wärme mit einer Temperatur unterhalb der Temperatur eingesetzt wird, bei der beim Abziehen der Exergie in Form von Wärme aus dem Speichermedium, gegebenenfalls unter Ausnutzung des chemischen Wärmepumpeneffekts, die Wärme genutzt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium eine hygroskopische Substanz, als sorbierbare, flüchtige Komponente Wasser und als Trägermedium Luft verwendet werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium und Arbeitsmedium ein Zeolith verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Akkumulierung der Exergie im Speichermedium und/oder das Abziehen der Exergie aus dem Speichermedium und die Befreiung des Trägermediums von sorbierbarer, flüchtiger Komponente im Arbeitsmedium sowie dessen Regenerierung nach einem Gegenstromverfahren durchführt
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Verwendung von festem Speichermedium und/oder festem Arbeitsmedium diese chargenweise einsetzt
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das feste Speichermedium in Form einer Vielzahl von mit diesem Speichermedium gefüllten Kolonnen einsetzt
9. 9. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Deckung des Heizungs- und/oder Kältebedarfs von Gebäuden oder Fahrzeugen, zur Warmwasserbereitung oder zur Deckung des Wärmebedarfs zur Vorheizung von Verbrennungsmotoren. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen