CH651915A5

CH651915A5 - Verfahren zur nutzung und speicherung von energie aus der umwelt.

Info

Publication number: CH651915A5
Application number: CH3696/81A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Prof Dr Sizmann
Original assignee: Didier Werke Ag
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1981-06-05
Publication date: 1985-10-15
Also published as: ES8207579A1; ES503071A0; SE462686B; DE3022583C2; ZA814021B; GB2083200B; BE889221A; GB2140152A; GB2083200A; SU1200858A3; JPS5762395A; CA1162451A; IL63095A0; GB8413674D0; DE3022583A1; IT1137496B; ATA265981A; IT8122041A0; AT394200B; NL8102905A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung und Speicherung von Energie aus der Umwelt unter Verwendung eines mittels chemischer Reaktionen oder Sorptionen arbeitenden Speichermediums, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher beschrieben ist.

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, 23 (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 Latentwärmespeichern vorteilhaft sei. Weitere Reaktionssysteme zur Wärmespeicherung und Wärmetransformation sind in VDI-Berichte Nr. 288 (1977),. S. 111-114 beschrieben. Beispiele für solche Systeme sind:

Systeme unter Verwendung von Ammoniak: LiCl-4NH3(fest)^==±LiCl(fest) + 4NH3(gas) CaCl2-8NH3(fest);==^CaCl2-2NH3(fest) + 6NH3(gas) H70-rNH3(flüssig)^===eH-,0-(r-n)NH3(flüssig) + n

NH3(gas)

Systeme unter Verwendung von Wasser:

LiCl-3H20(fest)* -LiCl(fest) + 3 H20(gas) H2S04-rH20(flüssig) - -H2SQ4- (r-n)H20(flüssig) +

nHzO(gas)

Sorptionsmittel-H20(fest)^===±Sorptionsmittel(fest)-t-

H20(gas)

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

Weitere Systeme verwenden als sorbierbare Komponente Methanol.

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Ganz allgemein entsprechen diese Reaktionen oder Sorptionen der folgenden Gleichung:

AB + Wärme ■.— ' A + B

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

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 Grössenord-nung von 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 erforderlich wird. Diese Speicherung stellt jedoch wesentliche Probleme dar, da entweder nur eine Kurzzeitspei-cherung, beispielsweise in ausreichend grossen Wasserspeichern mit entsprechend aufwendiger Isolation, möglich ist oder spezielle und daher technisch aufwendige Solarkollektoren verwendet werden müssen, wenn eine Langzeitspeicherung, beispielsweise in Zeolithspeichern, gewünscht wird, da hier die bereits zuvor genannten hohen Temperaturen zur vollständigen Regenerierung des Speichers als erforderlich angesehen wurden. Ausserdem 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.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, Energie aus der Umwelt auszunutzen, wobei von den bisher angewandten Lösungsmöglichkeiten abgewichen und ein neuer Weg zur Nutzung von Energie aus der Umwelt beschritten wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Nutzung von Energie aus der Umwelt der zuvor beschriebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass a) beim Energieladen die Exergie von kleineren Ungleichgewichtszuständen der Umwelt akkumuliert wird, und/oder b) beim Energieentladen die in dem austretenden, gasförmigen, inerten Trägermedium enthaltene Restexergie zum Energieladen von weiterem Speichermedium, in welchem keine oder nur geringe Exergie akkumuliert ist, verwendet wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 1 bis 14 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 Fahrzeugenz. B. Fahrzeugteilen, oder zur Warmwasserbereitung oder zur Deckung des Wärmebedarfs zur Vorheizung von Verbrennungsmotoren.

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 « 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).

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Bei der bekannten Benutzung von Zeolithspeichern oder anderen Sorptionsspeichern wurde es bei der Energieladung des Speichers als erforderlich angesehen, diesen mit hohen Temperaturen zu betreiben.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass es auch möglich ist, solche Sorptionsspeicher bei wesentlich tieferen Temperaturen zu regenerieren, als sie bislang als erforderlich angesehen wurden. Eine Regenerierung eines solchen Sorptionsspeichers ist beispielsweise auch bei Umgebungstemperaturen oder sogar auch bei tiefer als Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen möglich, wie im folgenden näher beschrieben wird. Ebenfalls wurde gefunden, dass es möglich ist, solche Speicher, sofern sie mit Wasser als flüchtiger Komponente betrieben werden, auch dadurch zu regenerieren, dass ein Inertgas mit Feuchtigkeitsdefizit verwendet wird.

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, wie beispielsweise Fernwärme, Abwärme, Verbrennungswärme, Gärungs- und Fermentationswärme, deren Temperaturniveau 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. Unter «kleineren Ungleichgewichtszuständen der Umwelt» sind daher solche Ungleichgewichtszustände zu verstehen, die bislang bei der Langzeitspeicherung nicht verwendet wurden, z. B. nur unter Zuhilfenahme von Wärmepumpen, d. h. Anheben auf ein höheres Temperaturniveau, verwendet werden konnten. So lässt sich 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 Temperaturniveau anfällt, 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 Speichermedium nutzbar wird, wobei hier der an sich bekannte chemische Wärmepumpeneffekt ausgenutzt wird, gibt den weiteren Vorteil, dass eine Verkleinerung des Volumens von Jahres-langzeitspeichern 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 Mehrnutzung der aus der Umwelt oder Umgebung entnommenen 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 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 ausserdem möglich wird, die zum Betrieb des Verfahrens erforderliche Fremdenergie zum Umpumpen des inerten, gasförmigen Trägermediums geringer zu halten. Bei Verwendungeines festen Speichermediums sollte die Höhe einer Kolonne zur Minimierung der beim Transport des Trägermediums auftretenden Druckverluste aufwerten zwi-

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sehen 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 \ 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 Zeolithen desor-biert 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 (Aner-gie) 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 Zeolithen vom X-Typ sei angeführt, dass bei T„ = 25° C eine Verminderung der Wasserbeladung um 27 % erreicht wird, d.h. von 0,29 g Wasser/g Zeolith bei H, = 100%auf0,21g Wasser/g Zeolith bei — 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 II in der Kolonne II, wie rechts in Fig. 1 dargestellt, vor. Beim Durchleiten von Umgebungsluft mit 100 % relativer Feuchtigkeit wird die in dem Speichermedium II gespeicherte Energie über die Kondensations- und Adsorptionswärme von Wasserdampf an Zeolith als Temperaturerhöhung der Luft von Tu auf Tc nutzbar. Die 100 % feuchte Luft lässt sich in bekannter Weise durch Befeuchten von Umgebungsluft darstellen, beispielsweise 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 geringerem Temperaturniveau, 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 Verwendungeines Arbeitsmediums dargestellt. Als Speichermedium wird hier ebenfalls wieder Zeolith als bevorzugtes, festes, Wasser absorbierendes 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 \ < 100 % und Umgebungstemperatur Tu und völlig mit Wasserdampf gesättigter Umgebungsluft mit relativer Feuchte ^ = 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°Cbeideraus dem Speichermedium 1 austretenden Luft erhalten wird. Die Wärme entsteht bei der Adsorption des Wasserdampfes am Zeolithen 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 Dt 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

< 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 Fäll das gasförmige, inerte Trägermedium darstellt, aus der Kolonne 1 zur Wasserdesorption aus der Kolonne 2 und der Reststrom dieser trockenen Luft aus der Kolonne 1 kann als

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Nutzstrom zur energetischen Beladung des Speichermediums verwendet werden. Das Aufteilungsverhältnis Nutzstrom/ Gesamtstrom an trockener Luft ist um so 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 \ 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 H, > 55 % der Umgebungsluft die Anlage ausgeschaltet wird und sich erst dann automatisch wieder einschaltet, wenn in der Umgebungsluft "fc < 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 exergiereichen, trockenen und warmen Luft, die zur Energieladung des Speichermediums, wobei dies Zeolith oder Schwefelsäure oder eine andere hygroskopische Substanz sein kann, dargestellt.

Die Kolonnen 1 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 \ 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 Vertau-schen der Kolonnen 1 und 2 im Strömungsweg ist somit ein stetiger Lufttrocknungs- 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 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 Speichermedium 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

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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 Di zu umgehen.

Statt eines Chargenbetriebes mit der periodischen Vertauschung der Kolonnen 1 und 2, welche im quasi-Gegenstrombe-trieb 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 \ 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 Einstrahlungslei-stungen 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 rei. Feuchte *t< 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 Temperaturniveau 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 oder Anergie), in die Kolonne I eingeführt, die trockenes, d. h. energetisch aufgeladenes, hygroskopisches Speichermedium und insbesondere Zeolith oder

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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 flüssiggasförmigen 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 Tt, weil die gesamte Kondensations- und Adsorptionswärme ihres ursprünglichen Wasserdampfgehaltes von ihr fortgeführt werden muss. Nutzwärme QN wird im anschliessenden Wärmetauscher, beispielsweise für Heizzwecke, abgeführt, wobeisich der Luftstrom Tf auf TN abkühlt. TNist 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 T, der Eingangsluft für die Kolonne I an, was die Folge hat, dass auch Tf ansteigt. Auf das frei wählbare Temperaturniveau TN der Nutzwärme wird durch diese Verfahrensführung die positive Temperaturdifferenz Tf-T; 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 Tn = 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 hygroskopischen Speichermedien. Diese restliche Exergie des Trägermediums lässt sich wieder akkumulieren, indem siez. B. durch eine mit Wasserdampfbereits beladene, d.h. energetisch bereits entladene Kolonne II 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 II verlassenden Luft nahe 0° C lag und dass diese Luft einen Wasserdampfpartialdruck Pn 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 = (Pr-Pii)/Pi erreicht, wobei pi der Wasserdampfpartialdruck der Eingangsluft bei A bedeutet. Bei p( = 12,3 mbar, d.h. dem Sättigungsdampfdruck für Wasser bei 10° C, und einem Wert von pn = 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 II lassen sich noch grössere Faktoren der Speicherkapazitätserhöhung erreichen.

Über C-D ist in der Fig. 4 ein alternativer, geschlossener Kreislauf des Trägermediums dargestellt. Nutzwärme QN 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 Wärmepuffereffekt ausgenutzt wird.

Für einen Zeolithen 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:

Qn = 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 II:

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 Verfah-rens gezeigt, wobei die Nutzwärme für Heizungszwecke verwendet werden kann. _

Bei «EIN» wird möglichst trockene Ümgebunsluft zu der Anlage zugeführt.

«ST» stellt den Ventilator für die Umwälzung des Trägermediums, d. h. der Luft dar. D ist ein Wasserbefeuchter zur Wasserdampfsättigung.

Wi entspricht dem unteren WärmetauschervonFig. 4,1, II und III sind Zeolithspeicherkolonnen, 1 und 2 sind Kolonnen für Arbeitsmedium, im vorliegenden Fall ebenfalls mit Zeolith gefüllt, S ist ein Sonnenkollektor und Wo ist der Wärmetauscher für das Abziehen der Nutzenergie. Der Vorteil dieser Anlage mit mehreren Zeolithspeichern 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 II die in der aus der Kolonne I austretenden Luft vorhandene Exergie noch weiter ausgenutzt wird und dass die Kolonne III 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 angegeben, dass in Europa die solare Einstrahlung um den 50. Breitengrad rund 1100 kWh m"2 a"1 beträgt. Das Verhältnis der mittleren Einstrahlung im Juli und im Januar beträgt rund 8:1. Ein Standard-Einfamilienhaus mit Vollwärmeschutz benötigt rund 25000 kWh a"1, wozu eine Kollektorfläche von rund 75 m2 erforderlich wäre.

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Ein Warmwasser-Jahresspeicher hätte eine irreale Grösse von rund 400 m3 bei einer angenommenen Jahres-Zyklenzahl von 1,5. Das (praktische) Heizöläquivalent für einen solchen Speicher wäre rund 3 m3 a"1. Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung eines mit Zeolith arbeitenden 5 Speichers ergeben sich aus der zuvor genannten Betriebsweise A-B nach Fig. 4 unter Nutzung der Restexergie der trockenen Abluft eine Speicherkapazität von 20 m3 bei einer Jahres-Zyklenzahl von 1,5. Geht man davon aus, dass durch die Nutzung solarer Strahlung in den Übergangsmonaten vor und nach dem 10 Winter und im Winter selbst eine Zyklenzahl von über 2 realisierbar ist, würde sich die Speichergrösse auf 15 m3 Zeolith reduzieren. Eine solche Zeolithmenge würde natürlich vorteilhafterweise in eine grössere Anzahl von Speicherkolonnen aufgeteilt, beispielsweise bis zu 20 Speicherkolonnen. Durch das erfin- 15 dungsgemässe 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 20 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.

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Bei der Verfahrensweise gemäss Fig. 1 wurde in eine Kolonne I Luft einer relativen Feuchte von \=3,2% und mit einer TemperaturTu = 75° C eingeleitet. Inder Kolonne I befand sich mit Wasserdampf beladenes, d.h. energetisch entladenes, 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 \ =3,2% wurde aus Umgebungsluft von 20° C und einer relativen Feuchte von -fc 52,6 % erzeugt, diese Umgebungsluft wurde in einem Sonnenkollektor 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 = 100 % beaufschlagt wird, eine obere Temperatur T0 beim Austritt aus der Kolonne II von etwa 40° C. Dies reicht für Heizungszwecke aus, beispielsweise für Gebäude während der kalten Jahreszeit.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

651 915 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Nutzung und Speicherung von Energie aus der Umwelt unter Verwendung eines mittels chemischer Reaktionen oder Sorptionen arbeitenden Speichermediums, in welchem beim Energieladen Exergie über ein gasförmiges, inertes Trägermedium für diese Exergie in dem Speichermedium zu hoher Dichte akkumuliert wird und die gespeicherte Exergie bei Bedarf beim Entladen mittels eines ebenfalls gasförmigen, inerten Trägermediums aus dem Speicher für die Umwandlung in Wärme oder Kälte von gewünschtem Niveau abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) beim Energieladen die Exergie von kleineren Ungleichge-wichtszuständen der Umwelt akkumuliert wird, und/oder b) beim Energieentladen die in dem austretenden, gasförmigen, inerten Trägermedium enthaltene Restexergie zum Energieladen von weiterem Speichermedium, in welchem keine oder nur geringe Exergie akkumuliert ist, verwendet wird.

2. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Exergieaklcumulierung im Speichermedium in Stufe a) eine sorptiv am Speichermedium gebundene, flüchtige Komponente durch ein gasförmiges, inertes Trägermedium desorbiert wird, wobei dieses Trägermedium nur einen geringen oder gar keinen Gehalt an sorbierbarer, flüchtiger Komponente aufweist und beim Durchtreten durch das Speichermedium gebundene Komponente hieraus aufnimmt, und dass zum Abziehen der Exergie aus dem vollständig oder teilweise desorbierten Speichermedium in Stufe b) unter Wärmegewinnung ein mit sorbierbarer Komponente in höherer Konzentration als bei der Desorptionsstufe beladener Inertgasstrom hierdurch geleitet wird.

3. Verfahrennach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das gasförmige, inerte Trägermedium mit geringem Gehalt an sorbierbarer, flüchtiger Komponente vor dem Einleiten in das Speichermedium in Stufe a) zunächst durch ein von sorbierbarer Komponente freies Arbeitsmedium zur möglichst vollständigen Befreiung von sorbierbarer Komponente leitet, und dass man eine Teilströmung des von sorbierbarer Komponente befreiten Trägermediums zum Energieladen des Arbeitsmediums einsetzt und die restliche Teilströmung dieses Trägermediums zur Desorption des Speichermediums verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem von sorbierbarer Komponente möglichst vollständig befreiten, gasförmigen, inerten Trägermedium oder dem gasförmigen, inerten Trägermedium vor dem Durchleiten durch das Arbeitsmedium Wärme, insbesondere mittels eines auch bei geringer solarer Einstrahlung mit niedriger Temperaturerhöhung arbeitenden Solarkollektors oder auch aus Wärmequellen von niedrigem Temperaturniveau, zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, 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 Wärmepumpeneffektes, die Wärme genutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das bei der Energieentladung in Stufe b) aus dem Speichermedium austretende, von sorbierbarer Komponente befreite, inerte Trägermedium durch mit sorbierter Komponente belade-nes Speichermedium zur vollständigen oder teilweisen Desorption der Komponente leitet.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermedium eine hygroskopische Substanz, als sorbierbare, flüchtige Komponente Wasser und als Trägermedium Luft verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermedium Kieselgel verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermedium ein Zeolith verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermedium Schwefelsäure verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein Zeolith verwendet wird.

12. Verfahrennach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Schwefelsäure verwen- ■ det wird.

13. Verfahrennach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Akkumulierung der Exergie im Speichermedium und/oder das Abziehen der Exergie aus dem Speichermedium und/oder die Befreiung des Trägermediums von sorbierbarer Komponente im Arbeitsmedium sowie dessen Regenerierung nach einem Gegenstromverfahren durchführt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man bei Verwendung von festem Speichermedium und/oder festem Arbeitsmedium diese chargenweise einsetzt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass man das feste Speichermedium in Form einer Vielzahl von mit diesem Speichermedium gefüllten Kolonnen einsetzt.

16. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Deckung des Heizungs- und/oder Kältebedarfs von Gebäuden oder Fahrzeugen oder zur Warmwasserbereitung.

17. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Deckung des Wärmebedarfs zur Vorheizung von Verbrennungsmotoren.