DE102006004917A1

DE102006004917A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie sowie Bearbeitungsverfahren und Einrichtung hierfür

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Publication number: DE102006004917A1
Application number: DE102006004917A
Authority: DE
Inventors: Frank Fischer; Ingo Romey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: DE102006004917B4

Abstract

Ein Erzeugeraggregat 16, 116, das aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger elektrische Energie und Wärme erzeugt, ist mit einem Absorptionskühlaggregat 24 gekoppelt, um so zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie zu dienen. In einem ersten Aspekt gibt das Erzeugeraggregat 16 Wärme durch Aufheizung eines Erzeugeraggregat-Kühlmittels 18 und in Form von heißen Abgasen 20 ab, wobei das Erzeugeraggregat-Kühlmittel 18 auf eine Temperatur T1 von weniger als 100°C aufgeheizt wird. Mittels eines ersten Wärmetauschers 26 wird die Heizenergie des Erzeugeraggregat-Kühlmittels 18 und mittels eines zweiten Wärmetauschers 28 die Heizenergie der Abgase 20 genutzt, um ein Wärmemedium 22 auf eine Temperatur T6 von mehr als 110°C aufzuheizen, mit dem das Absorptionskühlaggregat 24 betrieben wird. Gemäß einem zweiten Aspekt ist das Erzeugeraggregat eine Brennstoffzelle 116. Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Bearbeitungsanlage 62 zur Durchführung eines Bearbeitungsverfahrens aus einem Erzeugeraggregat 16, 116 mit elektrischer Energie versorgt. Mindestens Teile der Anlage 62 werden durch ein Absorptionskühlaggregat 24 gekühlt, das mit dem Erzeugeraggregat 16, 116 erzeugten Wärme betrieben wird. Die benötigte Kühlleistung steigt mit steigender elektrischer Verbrauchsleistung an.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie sowie ein Bearbeitungsverfahren und Einrichtung zur Durchführung eines industriellen Bearbeitungsverfahrens.
Es sind Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt. Aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger wird mit einem geeigneten Erzeugeraggregat elektrische Energie erzeugt. Als Erzeugeraggregat ist bspw. ein mit einer Brennkraftmaschine angetriebener Generator bekannt.
Zur Kühlung sind Kompressions-Kälteanlagen bekannt, die mit elektrischer Energie betrieben werden können. Andererseits ist die Absorptionskühlung bekannt, die mit einem Absorptions- und Kühlmittelkreislauf arbeitet, wobei durch Verdampfung eines Kühlmittels zugeführte Wärmeenergie zur Kühlung genutzt wird.
Zur Kühlung von Gebäuden wurden bereits Kombinationen aus einem Erzeugeraggregat, bspw. Dieselgenerator und einer mit der Abwärme des Aggregats betriebenen Absorptionskühlung vorgeschlagen. Da die vom Kühlwasser gelieferte Wärme jedoch stets nur Temperaturen unter 100°C aufweist, liefern bekannte Kombinationsaggregate jedoch bauartbedingt lediglich eine Kühlung bis zu einer Untergrenze von ca. 6°C. Während dies für die Raumklimatisierung ausreichend ist, werden im Bereich der industriellen Fertigung niedrigere Temperaturen benötigt.
Bei einigen industriellen Bearbeitungsverfahren wird eine Kühlung bspw. von Teilen der Bearbeitungsanlage, des Werkstücks etc., auf niedrige Temperaturen benötigt. Andererseits wird für die Bearbeitungsverfahren selbst elektrische Energie benötigt. Oftmals ist der Kühlbedarf abhängig von der elektrischen Verbrauchsleistung. So wird bspw. bei Elektrolyseverfahren eine Kühlung des Bades auf niedrige Temperaturen benötigt. An dererseits werden Bad und Werkstück durch die zugeführte elektrische Leistung aufgeheizt. Mit steigender elektrischer Leistung wird daher auch eine erhöhte Kühlleistung benötigt, während bei geringerer elektrischer Leistung auch eine geringere Kühlleistung ausreicht.

WO-A-99/08055 zeigt eine Anlage zum Kühlen von Gebäuden mittels Fernwärme. Eine Absorptionskühlanlage wird mit dem heißen Wasser einer Fernwärmeleitung betrieben. Die Temperatur des Wassers beträgt bis zu 80°C, woraus mit den bekannten Aggregaten – es sind Lithiumbromid/Wasser und Ammoniak/Wasser-Aggregate genannt – Kühlwasser auf eine Temperatur von ca. 10°C gebracht werden kann. Um eine Erhöhung der Kühlleistung zu erzielen scheidet eine Erhöhung der Temperatur in der Fernwärmeleitung aus. Deshalb wird lokal in den Gebäuden ein Zusatz-Heizaggregat, beispielsweise ein Gasbrenner, eine Solarzelle oder eine Wärmepumpe vorgesehen, um die Temperatur des Wassers zu erhöhen. Dieses Zusatzaggregat kann direkt oder über einen Wärmetauscher angeschlossen werden. Die Temperatur des der Absorptionskühlanlage zugeführten Wassers wird mit bis zu 100°C und in einem Beispiel mit 105°C angegeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine für die Verwendung in industrieller Umgebung geeignete Vorrichtung zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie sowie ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen sowie ein industrielles Bearbeitungsverfahren und eine Anlage hierfür.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13, eine alternative Vorrichtung nach Anspruch 9 und ein industrielles Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 17 sowie die hierfür geeignete Einrichtung nach Anspruch 11. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung (Anspruch 1) und ein Verfahren (Anspruch 13) zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen, bei denen ein Erzeugeraggregat mit mindestens einem Absorptionskühlaggregat gekoppelt ist. Das Erzeugeraggregat erzeugt aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger elektrische Energie und Wärme. Hierdurch wird ein Er zeugeraggregat-Kühlmittel aufgeheizt. Zusätzlich werden heiße Abgase abgegeben. Bspw. kann es sich bei dem Erzeugeraggregat um eine mit einem elektrischen Generator gekoppelten Verbrennungsmaschine handeln, bspw. einen Otto- oder Dieselmotor oder eine Gasturbine, bei denen als Erzeugeraggregat-Kühlmittel Kühlwasser verwendet wird. Das Erzeugeraggregat-Kühlmittel wird in dem Erzeugeraggregat bevorzugt auf eine Temperatur von weniger als 100°C aufgeheizt.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß sowohl die Heizenergie des Erzeugeraggregat-Kühlmittels als auch die Heizenergie der Abgase zum Betrieb des Absorptionskühlaggregats oder der Absorptionskühlaggregate genutzt werden.

Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Energieausnutzung und so ein hoher Wirkungsgrad.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß ein Absorptionskühlaggregat nicht direkt mit dem – weniger als 100°C warmen – Erzeugeraggregat-Kühlmittel des Erzeugeraggregats betrieben wird, sondern daß ein separates Wärmemedium eingesetzt wird, das durch das Erzeugeraggregat-Kühlmittel (bspw. Kühlwasser) einerseits und die Heizenergie der Abgase andererseits auf eine Temperatur von mehr als 100°C aufgeheizt wird. Mit diesem Wärmemedium, das bevorzugt eine noch höhere Temperatur von mehr als 120°C (besonders bevorzugt 140°C oder mehr) aufweist, wird nun das Absorptionskühlaggregat betrieben. Die erhöhte Temperatur des Wärmemediums führt zu einer deutlichen geringeren Temperatur des durch das Absorptionskühlaggregat gekühlten Kältemediums, die unterhalb von 0°C liegt. So wird ein Temperaturbereich eröffnet, der für herkömmliche Vorrichtungen nicht erreichbar war und auch eine Verwendung der Vorrichtung im industriellen Umfeld ermöglicht.

Bezüglich der Vorrichtung wird hierbei erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Heizenergie des Erzeugeraggregat-Kühlmittels mittels eines ersten Wärmetauschers und die Heizenergie der Abgase mittels eines zweiten Wärmetauschers genutzt werden. Zusätzlich können weitere Vorrichtungen vorgesehen sein, um zu vermeiden, daß das nachfolgende Absorptionskühlaggregat mit einem Medium einer Temperatur > 110°C betrieben wird.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß mindestens zwei Absorptionskühlaggregate verwendet werden. Hiervon wird ein erstes Absorptionskühlaggregat mit der von dem Erzeugeraggregat-Kühlmittel gelieferten Wärmemittel betrieben. Ein zweites Absorptionskühlaggregat wird mit der von den heißen Abgasen entnommenen Wärme betrieben.

Durch die unterschiedlichen Temperaturen von Kühlmittel einerseits und Abgasen andererseits werden vom ersten und zweiten Absorptionskühlaggregat auch verschiedene Kühltemperaturen erreicht. Das aus dem Kühlmittel gespeiste erste Absorptionskühlaggregat wird relativ hohe Kühltemperaturen von üblicherweise ca. 10°C erzeugen. Dem zweiten Absorptionskühlaggregat allerdings wird die in den Abgasen enthaltene Wärmemenge auf deutlich höherer Temperatur von üblicherweise über 300°C, bspw. 400°C oder mehr zugeführt. Hierdurch kann das zweite Absorptionskühlaggregat niedrige Kühltemperaturen von weniger als 0°C, bevorzugt Tiefkälte von –10°C und weniger erzeugen.

Bei der alternativen Vorrichtung gemäß Anspruch 9 sind ebenfalls ein Erzeugeraggregat zur Erzeugung elektrischer Energie und Wärme aus einem Primärenergieträger und ein Absorptionskühlaggregat gekoppelt. Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, daß das Erzeugeraggregat eine Brennstoffzelle ist. In der Brennstoffzelle wird aus dem Primärenergieträger direkt elektrische Energie gewonnen, wobei sich eine Erwärmung auf eine Betriebstemperatur von mehr als 110°C, bevorzugt mehr als 120°C, ergibt. Mit der erzeugten Wärme wird, bevorzugt ebenfalls über ein Wärmemedium auf einer Temperatur von mehr als 110°C, bevorzugt > 120°C, besonders bevorzugt von 140°C oder mehr, das Absorptionskühlaggregat betrieben. Auch hier sind durch die höhere Temperatur auf der Primärseite des Absorptionskühlaggregats entsprechend niedrigere Temperaturen am Ausgang zu erzielen.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9 vereinigt die bekannten Vorteile der Brennstoffzelle (hoher Wirkungsgrad, Wartungsfreiheit, keine beweglichen Teile, umweltfreundliche Gewinnung elektrischer Energie) mit dem besonderen Vorteil von Kombinations-Aggregaten aus Erzeugeraggregat und Absorptionskühlaggregat. Insgesamt läßt sich so ein gegenüber heute verfügbaren Systemen erheblich höherer Wirkungsgrad für Kühlung und gleichzeitige Erzeugung elektrischer Energie erzielen.

Bevorzugt wird eine Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von mehr als 120°C eingesetzt. Besonders bevorzugt wird eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von mehr als 500°C eingesetzt, bspw. eine SOFC oder MCFC.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden ein Bearbeitungsverfahren (Anspruch 17) und eine Einrichtung zur Durchführung eines industriellen Bearbeitungsverfahrens (Anspruch 11) vorgeschlagen. Das Bearbeitungsverfahren benötigt elektrische Energie und Kühlung. Dabei ist die benötigte Kühlleistung von der elektrischen Verbrauchsleistung abhängig, so daß bei höherer elektrischer Verbrauchsleistung auch eine höhere Kühlleistung benötigt wird. Ein bevorzugtes Beispiel eines solchen Bearbeitungsverfahrens ist ein Elektrolyseverfahren.

Um die entsprechende Bearbeitungsanlage nun mit elektrischer Energie einerseits und Kühlleistung andererseits zu versorgen, wird eine Kombination wie oben beschrieben aus einem Erzeugeraggregat zur Erzeugung elektrischer Energie und einem Absorptionskühlaggregat zur Kühlung vorgeschlagen, wobei das Absorptionskühlaggregat mit der im Erzeugeraggregat erzeugten Wärme betrieben wird.

Die Erfinder haben erkannt, daß durch diese Art der Versorgung einer Bearbeitungsanlage mit Kühlleistung und elektrischer Energie eine automatische Regulierung ausgenutzt wird. Bei höherem elektrischen Leistungsverbrauch der Bearbeitungsanlage, und entsprechend hohem Betrieb des Erzeugeraggregats, bspw. auf Vollast, ergibt sich automatisch eine höhere Wärmeabgabe des Erzeugeraggregats, die zu einer erhöhten Kühlleistung des Absorptionskühlaggregats führt. D. h., daß mit der abgerufenen elektrischen Leistung automatisch auch die Kühlleistung ansteigt. Hingegen schadet die bei geringer elektrischer Leistung entsprechend verringerte Kühlleistung nicht, da nun auch weniger Kühlbedarf besteht. Im entstehenden Gesamtsystem sind somit automatisch Kühlleistung und elektrische Leistung aufeinander abgestimmt, so daß es bei geeigneter Auslegung stets in einem wirtschaftlichen Betriebszustand arbeitet.

Im Gegensatz hierzu ist es bei herkömmlichen Kompressions-Kühlanlagen notwendig, diese bei erhöhtem Kühlbedarf separat höher zu betreiben. Hierdurch steigt aber – parallel zur höheren Leistungsaufnahme der Bearbeitungsanlage – auch die elektrische Leistungsaufnahme der Kompressionskühlung an, so daß das Erzeugeraggregat doppelt belastet wird.

Besondere Vorteile werden erreicht, wenn einzelne der vorgenannten Erfindungskomplexe kombiniert werden. So kann die erfindungsgemäße Einrichtung und das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren mit Betrieb einer Bearbeitungsanlage an einem Erzeuger/Absorptionskühlungs-Kombiaggregat aufgrund der niedrigen Kühltemperatur sehr günstig mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. dem Verfahren nach Anspruch 13 kombiniert werden. Ebenso kann die Vorrichtung mit Brennstoffzelle (Anspruch 9) mit der Einrichtung und dem industriellen Bearbeitungsverfahren kombiniert werden. Schließlich ist es auch möglich, die Vorrichtung mit Brennstoffzelle (Anspruch 9) mit der Vorrichtung mit zwei Wärmetauschern und/oder mehreren Absorptionskühlaggregaten bzw. ihren Weiterbildungen zu kombinieren.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 in symbolischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie;
2 in symbolischer Darstellung den Aufbau einer Absorptionskühlung;
3 in Diagrammform eine Leistungsbilanz der ersten Ausführungsform gemäß 1;
4 in symbolischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle;
5 in symbolischer Darstellung eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie mit Wärmeverbrauchern und einem Kältetank und
6 in symbolischer Darstellung eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie mit zwei Absorptionskühlungen;
7 in symbolischer Darstellung eine Einrichtung zur Durchführung eines industriellen Bearbeitungsverfahrens.
1 zeigt eine Vorrichtung 10, die unter Einsatz eines Primärenergieträgers elektrische Energie an einen elektrischen Verbraucher bzw. ein Versorgungsnetzwerk 12 liefert und einen Kälteverbraucher 14 kühlt.
Die Vorrichtung umfaßt einerseits ein Erzeugeraggregat 16, das aus dem Primärenergieträger elektrische Energie erzeugt. Das Erzeugeraggregat kann mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, darunter neben Diesel, Benzin und Erdgas auch Bio-Öle, bspw. Rapsöl sowie Bio-Gase. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem Erzeugeraggregat 16 um eine mit einem Generator gekoppelte Brennkraftmaschine, bspw. einen Otto- oder Dieselmotor bzw. Gasturbine. Die so gewonnene elektrische Energie wird einem elektrischen Verbraucher zugeleitet bzw. ins Energieversorgungsnetz 12 eingespeist.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine des Erzeugeraggregats 16 entsteht Wärme, die einerseits in einem Kühlwasserkreislauf 18 abgeführt wird und andererseits in Form von heißen Abgasen 20 vorliegt.
Die Vorrichtung 10 nutzt diese Abwärme, um in einem Wärmemedium-Kreislauf 22 ein Wärmemedium (bspw. ein synthetisches Thermoöl) zu erhitzen und dieses einem Absorptionskühlaggregat 24 zuzuführen. Das Wärmemedium im Kreislauf 22 wird hierbei zunächst in einem ersten Wärmetauscher 26 durch das Kühlwasser im Kreislauf 18 erhitzt. Anschließend wird es in einem zweiten Wärmetauscher 28 durch die Abgase 20 noch weiter erhitzt, um so mit besonders hoher Temperatur dem Absorptionskühlaggregat 24 zugeführt zu werden.
Aufgrund der Anordnung der Wärmetauscher 26, 28 wird das Wärmemedium im Kreislauf 22 insgesamt mit einer Temperatur von mehr als 110°C, bevorzugt im Bereich von 150°C–200°C dem Absorptionskühlaggregat 24 zugeführt. Da Wasser als Wärmemedium bei diesen Temperaturen (je nach Druck) in die Dampfphase übergehen kann, wird synthetisches Thermoöl mit Temperaturbeständigkeit bis 250°C oder spezielle Thermoöle mit Temperaturbeständigkeit bis mehr als 300°C bevorzugt.
Das Absorptionskühlaggregat 24 nutzt die zugeführte Wärmemenge Q_G, um daraus Kühlenergie für die Kühlung des Kälteverbrauchs 14 zu gewinnen. Hierbei wird die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T6 des zugeführten Wärmemediums und der Umgebungstemperatur T ausgenutzt.
Das in 1 nur symbolisch dargestellte Absorptionskühlaggregat 24 ist in 2 in einer weiterhin vereinfachten, jedoch näher detaillierten Darstellung gezeigt. Es umfaßt einen Austreiber 32, einen Kondensator 34, einen Verdampfer 36, einen Absorber 38, eine Pumpe 40 und einen Wärmetauscher 42. Das Funktionsprinzip ist an sich bekannt und soll daher im Folgenden nur überblicksartig am Beispiel eines Wasser/Ammoniakaggregats erläutert werden:
Im Austreiber 32 befindet sich eine Lösung aus einem Absorptionsmittel (Wasser) und einem Kühlmittel (Ammoniak). Unter Zufuhr der Wärmemenge Q_G wird das Kühlmittel verdampft und dem Kondensator 34 zugeführt, wo es unter Kühlung (in diesem Fall durch einen Kühlturm 44, wie in 1 gezeigt) wieder flüssig wird. Vom Kondensator 34 wird das Kühlmittel zum Verdampfer 36 geleitet, wo es verdampft und dabei die Wärmemenge Q_O aufnimmt. Das gasförmige Kühlmittel wird zum Absorber 38 geleitet. Gleichzeitig wird auch das Absorptionsmittel (Wasser) aus dem Austreiber 32 über den Wärmetauscher 42 in den Absorber 38 geleitet. Dort kommt es zur Absorption des Kühlmittels. Eine Lösung aus Kühlmittel und Absorptionsmittel wird über die Pumpe P und den Wärmetauscher 42 zum Austreiber 32 zurückgepumpt.
So wird im Absorptionskühlaggregat 24 zusammen mit dem Kühlturm 44 aus der zugeführten Wärmemenge Q_G eine Kühlung im Umfang der entzogenen Wärmemenge Q_O erzielt.
Das oben lediglich skizzenhaft wiedergegebene Verfahren kann in vielfacher Hinsicht modifiziert und optimiert werden. So können verschieden Absorptions- bzw. Kühlmittel eingesetzt werden, wie bspw. Litiumbromit/Wasser und durch verschiedene Maßnahmen weitere Optimierungen erreicht werden.
Wird die Wärmemenge Q_G bei einer Temperatur T6 von oberhalb 110°C zugeführt, so läßt sich eine Kühltemperatur T7 eines geeigneten Kühlmediums, bspw. Glylol/Wasser oder Sole von unter 0°C erreichen.
Durch das Absorptionskühlaggregat 24 wird das Wärmemedium im Kreislauf 22 auf eine Temperatur T7 gekühlt. Um aber weiterhin eine Kühlung des Erzeugeraggregats 16 erreichen zu können, wird eine Kühlung 23 eingesetzt.
Nachfolgend sollen Beispiele für die Temperaturen der verschiedenen Medien in den jeweiligen Kreisläufen an den in 1 gekennzeichneten Punkten T1-T6 sowie der Umgebungstemperatur T und der erreichten Kühltemperatur T8 gegeben werden.
Beispiel 1

In diesem Beispiel ist der Abgas-Wärmetauscher 28 hinter einen Abgaskatalysator (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 16 angeordnet. Es ergeben sich die folgenden Temperaturen:

T	20°C Umgebungstemperatur
T1	90°C Kühlwassertemperatur (Ausgang Aggregat)
T2	70°C Kühlwassertemperatur nach Wärmetauscher 26 (Eingang Aggregat)
T3	500°C Abgastemperatur (nach Katalysator)
T4	30°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums nach Kühlung 23
T5	85°C Temperatur Wärmemedium nach Wärmetauscher 26
T6	130°C Temperatur Wärmemedium nach Wärmetauscher 28
T7	60°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums vor Kühlung 23
T8	–5°C Kühltemperatur

Beispiel 2

In diesem Beispiel ist vor dem Abgas-Wärmetauscher 28 kein Katalysator angeordnet, so daß die Abgastemperatur höher ist:

T	20°C Umgebungstemperatur
T1	90°C Kühlwassertemperatur (Ausgang Aggregat)
T2	70°C Kühlwassertemperatur nach Wärmetauscher 26 (Eingang Aggregat)
T3	800°C Abgastemperatur (vor Katalysator)
T4	35°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums nach Kühlung 23
T5	85°C Temperatur Wärmemedium nach Wärmetauscher 26
T6	150°C Temperatur Wärmemedium nach Wärmetauscher 28
T7	70°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums vor Kühlung 23
T8	–10°C Kühltemperatur

Mit der Einrichtung 10 läßt sich somit auf einfache Weise und mit hohem Wirkungsgrad neben elektrischer Leistung auch Kühlleistung bereitstellen. 3 zeigt eine entsprechende Energiebilanz, bei der ein Blockheizkraftwerk 50 Primärenergie von 270 kWh aufnimmt. Mit einem thermischen Wirkungsgrad η th = 0,53 entstehen darauf 143 kWh Wärme und mit einem elektrischen Wirkungsgrad η_el = 0,30 entstehen gleichzeitig 81 kWh elektrische Energie. Die 143 kWh Wärme werden einer Absorptionskühlanlage 52 mit einem Wirkungsgrad von cop = 0,7 zugeführt, so daß 100 kWh Kühlenergie erzeugt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei den gegebenen Zahlen um Beispiele handelt, wie entsprechende Vorrichtungen ausgelegt werden können. Selbstverständlich sind in den Grenzen der für einen Einsatzfall vorgegebenen Parameter (Umgebungstemperatur, Abwärmetemperatur des Aggregats) auch abweichende Realisierungen denkbar, bei denen eine Temperatur T6 des Wärmemediums am Absorptionsaggregat von mehr als 110°C erreicht wird. Die Temperatur 16 kann so weit wie erreichbar gesteigert werden, wobei immer tiefere Temperaturen erzielt werden können.
Obergrenzen für die Temperaturen, insbesondere T6, sind vor allem durch die verwendeten Materialien gegeben. Im übrigen hängen die konkreten Werte, wie für den Fachmann erkennbar, von der Auslegung, Dimensionierung und Gestaltung der einzelnen Komponenten ab (Pumpen, Aggregat 16, Wärmetauscher 26, 28, 23, 44 und Absorptionsaggregat 24). Da es sich hierbei um bekannte Komponenten handelt, kann der Fachmann diese je nach Einsatzzweck geeignet aussuchen.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 110 zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Vorrichtung 110 stimmt zum Teil mit der Vorrichtung 10 aus 1 überein. Übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen und werden im Folgenden nicht noch einmal erläutert.
Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist bei der Vorrichtung 110 das Erzeugeraggregat eine Brennstoffzelle 116. Bekanntlich wird in einer Brennstoffzelle die Reaktionsenergie aus einem Primärenergieträger und einem Oxidationsmittel direkt in elektrische Energie umgewandelt. Als Primärenergieträger dienen vor allem Gase. Die Funktionsweise von Brennstoffzellen ist allgemein bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen wird. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die u. a. durch unterschiedliche Betriebstemperatur gekennzeichnet sind. Die Brennstoffzelle 116 ist eine Brennstoffzelle die bei einer Temperatur von mehr als 120°C arbeitet. Um eine ausreichend hohe Temperatur T3 am Absorptionskälteaggregat 24 zu erreichen, werden noch höhere Arbeitstemperaturen von bspw. mehr als 180°C bevorzugt, bspw. die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell, Arbeitstemperatur ca. 200°C). Besonders bevorzugt werden Hochtemperatur-Brennstoffzellen (> 500°C). Ein Beispiel ist die SOFC (Solide Oxide Fuel Cell), die auf Arbeitstemperaturen von über 700°C arbeitet, so daß sich eine Abwärmetemperatur von mehr als 300°C ergibt. Ein weiteres Beispiel ist die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell, Arbeitstemperatur > 600°C).
Unter Zuführung des Primärenergieträgers erzeugt die Brennstoffzelle 116 einerseits elektrische Energie, die in das Energieversorgungsnetz 12 eingespeist wird. Andererseits erzeugt sie Wärmeenergie bei ihrer Betriebstemperatur, die durch einen Kühlmittelkreislauf 18 abgeführt wird. Im Wärmetauscher 26 wird das Wärmemedium im Kreislauf 22 erhitzt, mit dem die Absorptionskühlanlage 24 betrieben wird.

Nachfolgend werden Beispiele für die Betriebstemperaturen an den jeweils gekennzeichneten Stellen T1-T6 gegeben: Beispiel 1

T	20°C Umgebungstemperatur
T1	400°C (Abwärmetemperatur Brennstoffzelle, Beispiel: SOFC)
T2	30°C Rückflußtemperatur Kühlmittelkreislauf
T3	200°C Zuflußtemperatur Wärmemedium-Kreislauf
T4	90°C Rückflußtemperatur Wärmemedium-Kreislauf vor Kühlung
T5	50°C Rückflußtemperatur Wärmemedium-Kreislauf nach Kühlung
T6	–20°C Kühltemperatur

Beispiel 2

T	20°C Umgebungstemperatur
T1	350°C (Abwärmetemperatur Brennstoffzelle, Beispiel: MCFC)
T2	35°C Rückflußtemperatur Kühlmittelkreislauf
T3	180°C Zuflußtemperatur Wärmemedium-Kreislauf
T4	60°C Rückflußtemperatur Wärmemedium-Kreislauf vor Kühlung
T5	40°C Rückflußtemperatur Wärmemedium-Kreislauf nach Kühlung
T6	–10°C Kühltemperatur

Auch von diesen Beispielen kann je nach Realisierung abgewichen werden, solange die einzuhaltenden Rahmenbedingungen für den Betrieb der Brennstoffzelle 116 gegeben sind.
In 5 ist eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung 210 dargestellt, die weitgehend der ersten Ausführung 10 entspricht. Im Folgenden sollen lediglich die Unterschiede erläutert werden.
Die Vorrichtung kann auch benutzt werden, um ggf. benötigte Heizenergie zu liefern. So kann ein Wärmeverbraucher 202 bspw. direkt im Kühlkreislauf 18 vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmeverbraucher 204 auch im Wärmemedium-Kreislauf 22 vorgesehen sein.
Eine weitere Alternative ist es, einen Kältevorrat im einem Tank 206 vorzusehen. Hierbei handelt es sich um einen isolierten Tank, in dem ein Kältemedium auf niedriger Temperatur gehalten wird. Auf diese Weise kann Kühlleistung für den Wärmeverbraucher 14 zwischen gespeichert und jederzeit abgerufen werden.
In 6 ist eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung 310 zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie dargestellt. Die Vorrichtung 310 stimmt zum Teil mit der Vorrichtung 10 aus 1 überein. Übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet und werden im folgenden nicht noch einmal erläutert.
Die Vorrichtung 310 umfaßt im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen zwei getrennte Absorptionskühlanlagen 24, 324, die zwei getrennte Kälteverbraucher 14, 314 kühlen. Hiervon wird die erste Absorptionskühlanlage 24 allein aus dem Kühlwasser des Erzeugeraggregats 16 gespeist. Die hiervon abgegebene Wärmemenge wird über den Wärmetauscher 26 und ein Wärmemedium zur Absorptionskühleinheit 24 geleitet, die dann – wie oben beschrieben – ein Kühlmedium auf die Kühltemperatur T6 abkühlt, mit dem der Kälteverbraucher 14 gespeist wird. Es sei angemerkt, daß in diesem Fall der Wärmetauscher 26 und das zusätzliche Wärmemedium auch entfallen können, und das Kühlmedium des Erzeugeraggregats 16 direkt zur Absorptionskühleinrichtung 24 geleitet werden kann.
In einem separaten Teil der Vorrichtung wird die im Abgas 20 des Erzeugeraggregats 16 enthaltene Wärme zur Lieferung von Tiefkälte an einen zweiten Kälteverbraucher 314 ausgenutzt. Die Abgase auf einer hohen Temperatur T7 werden einer zweiten Absorptionskühleinrichtung 324 zugeleitet. Hier können sie direkt gasförmig genutzt werden. Hierfür ist die Absorptionskühleinrichtung 324 so ausgelegt, daß der Austreiber 32 direkt durch die gasförmigen Abgase aufgeheizt wird.
Hierbei ist die Temperatur, auf der das Wärmemedium der ersten Absorptionskühlung 42 zugeführt wird üblicherweise geringer als 100°C, so dass auch nur eine Kühltemperatur T6 der Normalkühlung erreicht wird, die bspw. bei ca. 10°C liegt. Durch die – im Vergleich zum Kühlmedium 18 relativ hohen Abgastemperaturen können mit der zwei ten Absorptionskühleinrichtung 324 deutlich niedrigere Kühltemperaturen erzielt werden. Allerdings ist die im Abgas enthaltene Wärmemenge üblicherweise deutlich geringer als die über den Kühlkreislauf 18 abgegebene Wärmemenge; ein übliches Verhältnis liegt hierbei in der Größenordnung von 1 : 5. Eine derartige Vorrichtung mit getrennten Absorptionskühlungen ist also sinnvoll vor allem für Einsatzorte, an denen Tiefkälte in eher geringem Maß benötigt wird.

Nachfolgend soll ein Beispiel für die Betriebstemperaturen an den jeweils gekennzeichneten Stellen T1-T8 in der Vorrichtung 310 gegeben werden: Beispiel 1

T	20°C Umgebungstemperatur
T1	90°C Kühlwassertemperatur (Ausgang Aggregat)
T2	70°C Kühlwassertemperatur nach Wärmetauscher 26 (Eingang Aggregat)
T3	85°C Temperatur Wärmemedium nach Wärmetauscher 26
T4	30°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums nach Kühlung 23
T5	60°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums vor Kühlung 23
T6	10°C Kühltemperatur (Normalkühlung)
T7	500°C Abgastemperatur (nach Katalysator)
T8	< –10°C Kühltemperatur (Tiefkühlung)

Um noch tiefere Temperaturen zu erreichen, kann optional eine Zusatzheizung 350 vorgesehen sein, bei der mit Gas-Direktbefeuerung die Temperatur des T7 des Abgasstroms noch einmal erhöht wird. In einem Beispiel ergeben sich dann die folgenden Temperaturen: Beispiel 2

T	20°C Umgebungstemperatur
T1	90°C Kühlwassertemperatur (Ausgang Aggregat)
T2	70°C Kühlwassertemperatur nach Wärmetauscher 26 (Eingang Aggregat)
T3	85°C Temperatur Wärmemedium nach Wärmetauscher 26
T4	30°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums nach Kühlung 23
T5	60°C Rückflußtemperatur des Wärmemediums vor Kühlung 23
T6	10°C Kühltemperatur (Normalkühlung)
T7	1000°C Abgastemperatur (nach Zusatz-Gasheizung)
T8	< –20°C Kühltemperatur (Tiefkühlung)

Eine industrielle Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtungen zeigt 6. Dort ist eine Einrichtung 60 aus einem Erzeugeraggregat 16, 116, einem Absorptionskühlaggregat 24 und einer Bearbeitungsanlage 62, im gezeigten Beispiel einer Elektrolyseanlage, dargestellt. Erzeugeraggregat 16, 116 und Absorptionskühlanlage 24 können wie oben beschrieben ausgebildet und miteinander verbunden sein.
In der Elektrolyseeinrichtung 62 befindet sich ein Elektrolyse-Bad 64 in einem Behälter 66. In Kontakt mit dem Elektrolyten befindet sich eine erste Elektrode 68 (dies kann auch ein Teil der Behälterwandung des Behälters 66 sein). Eine zweite Elektrode wird durch ein Werkstück 70 gebildet. Die Elektroden 68, 70 sind an eine durch das Erzeugeraggregat 16, 116 gespeiste Strom- bzw. Spannungsversorgung angeschlossen. Durch den Stromfluß zwischen den Elektroden 68, 70 im Elektrolyt-Bad 64 ergibt sich eine gewünschte chemische Reaktion, mit der das Werkstück 70 behandelt wird. Zahlreiche Beispiele für derartige Behandlungsverfahren sind dem Fachmann bekannt.
Für zahlreiche Elektrolyseverfahren ist es notwendig, daß der Elektrolyt 64 auf einer niedrigen Temperatur knapp oberhalb von 0°C gehalten wird. Bspw. bei der Anodisation von Aluminium-Werkstoffen wird eine stabile Prozeßtemperatur von 0°C benötigt. Hierfür sorgt das Absorptionskühlaggregat 24, das eine Kühleinrichtung 72 im Elektrolyt-Bad 64 speist. Ein geeignetes Kühlmittel (z. B. Glykol/Wasser) auf einer Temperatur von weniger als 0°C wird durch die Kühlvorrichtung 72 gepumpt und hält so das Bad 64 auf der gewünschten Temperatur.
Für das Elektrolyseverfahren ist es notwendig, daß der Elektrolyt in einer vordefinierten Temperaturspanne gehalten wird. Durch die Elektrolyse-Reaktion wird dem Bad Energie zugeführt, so daß sich die Temperatur erhöht, und damit auch die benötigte Kühllei stung. Somit hängt die benötigte Kühlleistung direkt von der elektrischen Verbrauchsleistung ab. Bei Bearbeitungen mit niedriger elektrischer Leistungsaufnahme ist lediglich geringe Kühlleistung erforderlich. Bei entsprechend hoher elektrischer Leistungsaufnahme wird allerdings eine entsprechend höhere Kühlleistung benötigt. Durch die Speisung der Bearbeitungsvorrichtung 62 durch die Kombination aus Erzeugeraggregat 16, 116 und Absorptionskühlaggregat 24 steht automatisch stets eine der elektrischen Verbrauchsleistung angepaßte Kühlleistung zur Verfügung. Denn bei höherer elektrischer Verbrauchsleistung läuft auch das Erzeugeraggregat auf höherer Stufe, so daß es entsprechend mehr Wärme liefert, die im Absorptionskühlaggregat 24 in entsprechende Kühlleistung umgesetzt wird.
Zu den gezeigten Ausführungsformen der Erfindung sind eine Anzahl von Abwandlungen und Ergänzungen denkbar:

– Obwohl dies vorstehend nicht im Einzelnen erläutert wurde, wird der Betrieb der beschriebenen Anlagen bevorzugt mit einer automatischen Regelung geregelt. So werden die gewünschten Temperaturen und Energiemengen erzielt.
– Außer dem gezeigten Elektrolyse-Bearbeitungsverfahren sind auch eine Anzahl von weiteren industriellen Verfahren gut zum Betrieb mit einem Kombinationsaggregat geeignet. Dies umfaßt alle Verfahren, bei denen trotz des Einsatzes elektrischer Prozeßenergie Temperaturvorgaben eingehalten werden müssen. Ein weiteres Beispiel umfaßt die Herstellung von Kunststoff-Granulaten, bei der nach der (elektrisch betriebenen und beheizten) Extrusion eine sofortige starke Kühlung benötigt wird.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie mit – einem Erzeugeraggregat (16), das aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger elektrische Energie und Wärme erzeugt, wobei das Erzeugeraggregat (16) Wärme durch Aufheizung eines Erzeugeraggregat-Kühlmittels (18) und in Form von heißen Abgasen (20) abgibt, – und mindestens einem Absorptionskühlaggregat (24, 324), das ein Kältemedium mit einer Kühltemperatur (T6, T8) abgibt, wobei das Absorptionskihlaggregat (24, 324) mit der im Erzeugeraggregat (16) erzeugten Wärme betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß – die Heizenergie des Erzeugeraggregat-Kühlmittels (18) und die Heizenergie der Abgase (20) zum Betrieb des Absorptionskühlaggregats (24) oder der Absorptionskühlaggregate (24, 324) genutzt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – das Erzeugeraggregat-Kühlmittel (18) auf eine Temperatur von (T1) weniger als 100°C aufgeheizt wird, – und ein Wärmemedium (22) durch das Erzeugeraggregat (16) aufgeheizt und zum Absorptionskühlaggregat (24) geleitet wird, – wobei mittels eines ersten Wärmetauschers (26) die Heizenergie des Erzeugeraggregat-Kühlmittels (18) und mittels eines zweiten Wärmetauschers (28) die Heizenergie der Abgase (20) genutzt wird, um das Wärmemedium (22) auf eine Temperatur (T6) von mehr als 110°C aufzuheizen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der - die Kühltemperatur (T7) des Kältemediums unterhalb von 0°C liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3, bei der – das Wärmemedium (22) auf eine Temperatur (T6) über 120°C aufgeheizt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, bei der – das Wärmemedium ein Thermoöl mit einer Temperaturbeständigkeit von mehr als 150°C ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der – das Erzeugeraggregat (16) eine Brennkraftmaschine umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – ein erstes Absorptionskühlaggregat (24) vorgesehen ist, das mit aus dem Erzeugeraggregat-Kühlmittel (18) entnommener Wärme betrieben wird, – und ein zweites Absorptionskühlaggregat (324) vorgesehen ist, das mit aus den Abgasen (20) entnommener Wärme betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der – zusätzlich eine Zusatzheizung (350) zum Betrieb des zweiten Absorptionskühlaggregats (324) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie mit – einem Erzeugeraggregat (116), das aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger elektrische Energie und Wärme erzeugt, – und einem Absorptionskühlaggregat (24), das mit der im Erzeugeraggregat (116) erzeugten Wärme betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß - das Erzeugeraggregat eine Brennstoffzelle (116) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der – das Erzeugeraggregat eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (116) mit einer Betriebstemperatur von mehr als 120°C ist.
Einrichtung zur Durchführung eines industriellen Bearbeitungsverfahrens mit – einer Energiequelle (16, 116) zur Lieferung elektrischer Energie, – einer Kühlanlage (24) zur Kühlung, – und einer Verarbeitungsanlage (62) zur Durchführung eines Bearbeitungsverfahrens unter Zuführung der von der Energiequelle (16, 116) gelieferten elektrischen Energie, wobei mindestens Teile der Bearbeitungsanlage (62) durch die Kühlanlage (24) gekühlt werden und die benötigte Kühlleistung mit steigender elektrischer Verbrauchsleistung ansteigt dadurch gekennzeichnet, daß – die Energiequelle ein Erzeugeraggregat (16, 116) ist, das aus einem flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger elektrische Energie und Wärme erzeugt, – und die Kühlanlage ein Absorptionskühlaggregat (24) ist, das mit der im Erzeugeraggregat (16, 116) erzeugten Wärme betrieben wird.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der – die Bearbeitungsanlage eine Elektrolyse-Anlage (62) ist.
Verfahren zur Kühlung und zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem – in einem Erzeugeraggregat (16) aus einem festen oder gasförmigen Primärenergieträger elektrische Energie und Wärme erzeugt wird, wobei das Erzeugeraggregat (16) Wärme durch Aufheizung eines Erzeugeraggregat-Kühlmittels (18) und in Form von heißen Abgasen (20) abgibt, – und mindestens ein Absorptionskühlaggregat (24, 324) mit der im Erzeugeraggregat (16) erzeugten Wärme betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß – die Heizenergie des Erzeugeraggregat-Kühlmittels (18) und die Heizenergie der Abgase (20) zum Betrieb des Absorptionskühlaggregats (24) oder der Absorptionskühlaggregate (24, 324) genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem – das Erzeugeraggregat-Kühlmittel (18) auf eine Temperatur (T1) von weniger als 100°C aufgeheizt wird, – ein Wärmemedium (22) durch das Erzeugeraggregat (16) aufgeheizt und zum Absorptionskühlaggregat (24) geleitet wird, – wobei die Heizenergie des Erzeugeraggregat-Kühlmittels (18) und die Heizenergie der Abgase (20) genutzt werden, um das Wärmemedium (22) auf eine Temperatur (T6) von mehr als 110°C aufzuheizen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem – die Kühltemperatur (T7) des Kältemediums unterhalb von 0°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem – ein erstes Absorptionskühlaggregat (24) mit aus dem Erzeugeraggregat-Kühlmittel (18) entnommener Wärme betrieben wird, – und ein zweites Absorptionskühlaggregat (324) mit aus den Abgasen (20) entnommener Wärme betrieben wird.
Bearbeitungsverfahren, bei dem – ein Bearbeitungsverfahren unter Zuführung von elektrischer Energie betrieben wird, wobei bei der Bearbeitung eine Kühlung erfolgt, und die benötigte Kühlleistung mit steigender elektrischer Verbrauchsleistung ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß – die elektrische Energie von einem Erzeugeraggregat (16, 116) zugeführt wird, das aus einem flüssigen oder gasförmigen Primärenergieträger elektrische Energie und Wärme erzeugt, – und die benötigte Kühlleistung durch mindestens ein Absorptionskühlaggregat (24, 324) bereitgestellt wird, das mit der im Erzeugeraggregat (16, 116) erzeugten Wärme betrieben wird.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 17, bei dem – das Bearbeitungsverfahren ein Elektrolyse-Verfahren ist.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 18, bei dem – das Bearbeitungsverfahren Aluminium-Eloxalverfahren ist, bei dem ein Bad auf einer Temperatur von weniger als 10°C gehalten wird.