DE102007054889A1

DE102007054889A1 - Energiekonzept zur Wärme-, Kälte-, mechanischen und elektrischen Energieerzeugung mit einem Absorptions-Filtrations-Prozess

Info

Publication number: DE102007054889A1
Application number: DE102007054889A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dryczynski; Carsten Wisch
Original assignee: Dryczynski Jorg
Current assignee: Dryczynski Jorg
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Die Erfindung beschreibt Energiekonzepte zur Hochtransformation von Wärme zur Bereitstellung von Heiz- und Prozesswärme, Kühl-, Tiefkühlkälte und zur mechanischen bzw. elektrischen Energieerzeugung mittels eines Absorptions-, Trenn- und Filtrationsprozesses für den stationären und mobilen Bereich. Der Prozess basiert auf dem Absorptionsverfahren mit dem Unterschied, dass die Stofftrennung nicht thermisch, sondern im Wesentlichen durch mechanische Trenn- und Filtrationsverfahren mit geringem energetischen Aufwand durchgeführt werden. Zur Energieerzeugung kann die hochtransformierte Wärme mit einem ORC- oder Absorptions-Wärme-Kälte-Dampfkraft-Prozess in Kälte, mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt werden bei gleichzeitiger Wärme- und Kältenutzung.

Description

Einleitung
Umweltschutz und damit eng verbunden rationeller Umgang mit den Energievorräten sind gegenwärtig und in Zukunft herausfordernde Aufgaben der Politik, der Gesellschaft und der Wirtschaft.
Beide Zielsetzungen erreichen die nachfolgend beschriebenen Absorptions-Filtrations-Kompressions-Wärme-und Kälte-Prozesse mit und ohne nachgeschaltetem Energiegewinnungsprozess.
Energieeffiziente, solar oder über Umgebungswärme gewonnene nutzbare Wärme und Kälte gewinnen aufgrund der globalen Erderwärmung und der steigenden Rohstoffpreise durch Knappheit weltweit an großer Bedeutung. Die Suche nach alternativen Energiequellen wird aufgrund der Verknappung der Ressourcen zum Wettlauf gegen die Zeit. Die Auswirkungen der Verbrennung der fossilen Brennstoffe sind für das Klima der Erde noch nicht abschätzbar, jedoch schon deutlich spürbar und die Atomenergie bietet ein nicht zu unterschätzendes Gefahrenpotential.
Nahezu sämtliche Großgebäude sind heute vollklimatisiert. Auch in Deutschland wird bereits die Hälfte der größeren Büro- und Geschäftsneubauten mit Klimaanlagen ausgerüstet. Die Tendenz ist steigend.
In vielen Ländern führt der Anstieg mechanischer Klimaanlagen immer häufiger zur Überlastung und letztlich zum Zusammenbruch des Stromnetzes.
Solar unterstützte Wärmetransformation und Kühlung versprechen weltweit enormes Potential zur Energie- und CO₂ Einsparung.
Bei gleichzeitiger Stromerzeugung kann, wie nachfolgend beschrieben, künftig mehr Energie erzeugt werden als verbraucht wird.
Weltweit sind tausende ineffiziente Wärmepumpen, öl- und gasbefeuerte Absorptionskälteanlagen im Einsatz. Diese Anlagen können mit einer Filtrationsanlage zur Effizienzsteigerung aufgerüstet oder nachgerüstet werden. Die Anlagen können auch komplett durch eine Filtrations-Absortionsanlage ersetzt werden.
Nach der europäischen „Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden" und der EneV-Novelle, werden auch Nicht-Wohngebäude energetisch zu bewerten sein. Damit gewinnt die Absorptions-Filtrations-Wärme- und Kältetechnik mit und ohne Energieerzeugung an Bedeutung.
Unter Absorptions-Wärme- und Kälteverfahren werden gewöhnlich Verfahren verstanden, in denen ein Wärmepumpenprozess mit thermischer Energie angetrieben wird.
Abhängig vom Temperaturniveau des Nutzwärmestroms können diese Prozesse zu Heiz- und Kühlzwecken eingesetzt werden.
In der nachfolgenden Ausführung wird der Stand der Technik sowie neue Entwicklungspotentiale vorgestellt. Weiterhin umfasst die Ausführung die Nutzung von Umweltenergie (Solarwärme, Erdreich, Geothermie, Grundwasser, Abwasserwärme, Luft und Abwärme).
Im stationären und mobilen Bereich kann mit einem erweiterten Prozess gleichzeitig Wärme, Kälte, Tiefkühlkälte, mechanische bzw. elektrische Energie erzeugt oder nutzbar gemacht werden.
Die hier beschriebenen Systeme gibt es so noch nicht. Zwar sind die einzelnen Komponenten bekannt und erprobt, in dieser Konstellation und Nutzungsart aber noch nicht zur Anwendung gekommen. Die möglichen Auswirkungen auf die Heizungs-, Klima-, Kälte- und Antriebstechniken können kaum abgeschätzt werden.
Die technische Realisierung von Wärmetransformationsprozessen basiert bisher überwiegend auf Kompressions- und thermischen Absorptionsverfahren.
Bei den Absorptionsverfahren kommen flüssige Sorptionsmittel zum Einsatz, die in der Lage sind, den Arbeitsstoff reversibel zu binden.
Als Absorption bezeichnet man allgemein die Lösung eines Dampfes oder Gases in einer Flüssigkeit oder einem festen Körper, ohne dass dabei bleibende chemische Veränderungen entstehen.
Derzeit wird die Absorption durch Wärmeeinwirkung rückgängig gemacht. Künftig wird dies über mechanische Filtrations- und Trennprozesse, wie nachfolgend beschrieben, erreicht.
Der Energieaufwand ist im Vergleich mit den thermischen Verfahren sehr gering.
Häufig eingesetzte Stoffsysteme (Arbeitsstoff/Absorptionsmittel) sind:
Wasser/Wasser-Lithiumbromid und/oder ein Ammoniak-Wasser Gemisch.
Wasser und Ammoniak eignen sich vor allem aufgrund ihrer hohen spezifischen Verdampfungsenthalpie als Arbeitsmittel.
Verglichen mit anderen leicht flüchtigen Arbeitsstoffen wie z. B. Methanol, Ethanol, Aceton, Chloroform, Methylamin, Metylenchlorid, Ethylamin, oder den Kältemitteln R 12, R 22, R 404, R 507, R 407, R 410, R 412, R 417, R 290, Care 50 lassen sich mit Wasser oder Ammoniak die höchsten Energiedichten erzielen.
Die niedrigste Verdampfungstemperatur von Wasser liegt knapp über 0°C, Ammoniak bis ca. –60°C.
Als Absorptionsmittel kommen viele, anorganische, organische und synthetische Verbindungen, die sehr gut und in großen Mengen löslich sind, in Betracht.
Der größte Teil der in Betracht kommenden Absorptionsmittel sind hygroskopische Salze wie z. B. Nitrate, Bromide, Sulfate, Phosphate, Carbonate, Chloride, Chlorate, Perchlorate, Acetate, Salzgemische, Doppelsalze, Salzverbindungen (z. B. LiBr, ZnBr₂, CaBr₂, LiJ, NaCaBr₃, ZnCl₂, MgCl₂, CuCl₂, H₂SO₄, MgSO₄, CaCl₂, KOH, NOH, KBr, ZnSO₄, LiCl, NaNO₃, LiNO₃, C₂H₃KO₂ (Kaliumacetat)).
Auch Säuren, Laugen, Glycole, Halogene, Amine, polare und unpolare Lösungsmittel eignen sich als Absorptionsmittel. Die Löslichkeit kann im Allgemeinen durch Zugabe bestimmter Stoffe (Additive) erhöht werden.
Als Absorptionsmedium eignen sich auch ionische Flüssigkeiten. Diese zeichnen sich oft durch eine hohe Aktivität gegenüber Wasser und anderen Lösungsmitteln aus, besitzen aber den Vorteil, dass sie als „flüssige Salze" erst bei geringen Temperaturen auskristallisieren können. Sie sind thermisch stabil, nicht entzündlich, haben einen äußerst geringen, kaum messbaren Dampfdruck und verfügen über sehr gute Lösungseigenschaften für zahlreiche Substanzen. Durch Variation der Seitenketten des Kations und die Auswahl geeigneter Anionen lässt sich z. B. die Löslichkeit in Wasser oder organischen Lösungsmitteln den Anforderungen anpassen. Gleiches gilt für den Schmelzpunkt und die Viskosität. Durch entsprechende funktionelle Gruppen können sie darüber hinaus als Säuren, Basen oder Liganden eingestellt werden. Des weiteren sind sie wenig korrosiv.
Prinzip des konventionellen Absorptionsprozesses
Das Grundprinzip der Absorptionsprozesse ist bisher bei allen Verfahren das gleiche:
Wenn das dampfförmige Arbeitsmittel in den Absorber strömt und dort kondensiert geschieht zweierlei:
Es wird erhebliche Kondensationswärme und zusätzlich (stoffabhängig) Verdünnung- bzw. Lösungswärme frei.
In Gegenwart des Absorptionsmittels verschiebt sich die Dampfdruckkurve des Arbeitsstoffes deutlich zu niedrigeren Drücken.
Der Zyklus eines Absorptions-Wärme- bzw. Kälteprozesses ergibt sich aus vier Einzelschritten:

1. Im Verdampfer verdampft der Arbeitsstoff bei niedriger Temperatur und geringerem Druck.
2. Im Absorber wird der Arbeitsstoffdampf an das Absorptionsmittel gebunden, wobei Wärme auf höherem Temperaturniveau frei wird. Das Absorptionsmittel besitzt die Eigenschaft, gas- bzw. dampfförmiges Arbeitsmittel aufzunehmen (Absorption). Das Arbeitsmittel saugt auf diese Weise den Dampf aus dem Verdampfer, so daß hier weiteres Arbeitsmittel wie z. B. Wasser, Ammoniak, Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol... verdampfen kann.
3. Im Austreiber (Generator) erfolgt die Trennung von Arbeits- und Absorptionsmittel, wobei Wärme auf hohem Temperaturniveau zugeführt werden muss, um das Arbeitsmittel zu verdampfen.
4 Im Kondensator wird der dampfförmige Arbeitsstoff verflüssigt, wobei wiederum Nutzwärme frei wird.

Aus der Wärme- und Stoffbilanz dieses Kreisprozesses ergeben sich Grenzen für das maximal erreichbare Wärme- bzw. Kälteverhältnis, da der Arbeitsstoff auf einem deutlich niedrigeren Temperatur- und Druckniveau kondensiert als es für die Verdampfung im Austreiber notwendig wäre.
Eine Wärmerückgewinnung ist daher nur unterhalb der benötigten Verdampfungstemperatur (im Austreiber) möglich.
Bei einem konventionellen, einstufigen Wasser/Lithiumbromid-Absorptionsprozess werden etwa 0,7–1 kWh Wärme benötigt, um 1 kg Wasser zu verdampfen.
Das erreichbare Wärmeverhältnis (Nutzwärme/Aufwand) kann maximal 2 erreichen. Das maximal erreichbare Kälteverhältnis (Kälte/Aufwand) hingegen 1.
Zwei- und mehrstufige Prozesse erreichen ein maximales Kälteverhältnis von etwa 1,2–1,5.
Die nachfolgend beschriebenen Prozesse sind ebenfalls Absorptionswärme- bzw. Kälte-Prozesse, die jedoch mit einem Bruchteil der bisher benötigten Energie auskommen.
Der Absorptions-Filtrations-Prozess:
Erfolgt die Trennung des Arbeits- und Absorptionsmittels über Filtrationsverfahren (z. B. Umkehrosmose, Nanofiltration, Ultrafiltration, Mikrofiltration Pervaporation und/oder Dialyse bzw. Elektrodialyse), so kann das Arbeitsmittel mit sehr geringem Energieaufwand zurückgewonnen werden.
Zur Realisierung sind zwei grundlegende Prozessvarianten möglich:

1. Die Rückgewinnung des Arbeits- und Lösungsmittels erfolgt über einen oder mehrere hintereinander geschaltete Trennprozesse, wobei eine vollständige Rückgewinnung relativ aufwendig aber nicht unbedingt notwendig ist. Ein geringer Absorptionsmittelgehalt beeinflusst die Verdampfung (benötigte Verdampfungstemperatur im Verdampfer) nur geringfügig. Nicht verdampfte, angereicherte Flüssigkeit wird dem Filtrationsprozess zurückgeführt.
2. Der notwendige Druck für den Filtrationsprozess wird über einen weiteren „Hochdruck-Absorptionsprozess" (z. B. NH₃/H₂O) erzeugt. Es handelt sich dabei um kombinierte Absorptionsprozesse mit Wärme und Energierückgewinnung. Absorptions-Filtrations-Dampfkraft-Prozess (AFD-Prozess).

Trennverfahren
Generell sind für den Absorptions-Filtrationsprozess drei unterschiedliche Prozessschritte vorgesehen.

1. Vortrennung durch Kristallisation
2. Membranfiltration und Trennung
3. Rückführung des auskristallisierten Stoffes in das Konzentrat aus dem Filtrationsprozess.

Wobei die Trennstufen sich abwechseln oder die Verfahren sich unterstützen können.
In Abhängigkeit von dem gelösten Produkt kann auch ein Verfahren alleine eine ausreichende Wirkung erzielen.
Für die Absorptions-Filtrationsanlagen wird zum Betrieb ein Zwei- oder Mehrstoffgemisch benötigt, wobei die Komponenten lösbar und trennbar sein sollten.
Die Anforderungen an das Kälte- bzw. Arbeitsmittel sind ähnlich wie bei konventionellen Absorptionswärme-, bzw. Kälteanlagen. Die Absorptionslösung sollte gegenüber dem Arbeitsmittel einen möglichst geringen Dampfdruck und eine tiefe Erstarrungstemperatur besitzen.
Für den Absorptions-Filtrationsprozess kommen organische-, anorganische, ionische, synthetische Verbindungen und deren Mischungen, die gut und in großen Mengen löslich sind, in Betracht.
Wichtig für einen geringen Energieaufwand der mechanischen Trennprozesse ist der molekulare Größenunterschied zwischen Arbeits- und Absorptionsmittel und bei salzhaltigen Absorptionslösungen auch die Wertigkeit der in der Lösung vorhandenen Ionen.
In der Technik werden unterschiedliche Membranentypen in vielfacher Weise eingesetzt, um Stoffe voneinander zu trennen. Membrantrennverfahren sind den mechanischen Trennverfahren zuzuordnen. Der besondere Vorteil von Membrantrennverfahren ist, dass sie ohne Erhitzen auskommen können und somit energetisch günstiger sind, als die üblichen thermischen Trennverfahren.
Diese Membranen sind z. B. für Wassermoleküle durchlässig. Die gelösten Moleküle werden hingegen ganz oder zum größten Teil zurückgehalten (semipermeable Membran).
Dadurch erfolgt die Trennung der Lösung in einen Teilstrom Permeat und einen Teilstrom Konzentrat.
Je hoher der Konzentrationsgehalt einer Lösung (z. B. Lithiumbromid in Wasser) ist, um so höher ist der osmotische Druck und entsprechend hoch muss dann der Arbeitsdruck eines Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationsprozesses sein.
Je stärker das Rückhaltevermögen einer Membrane ist, um so geringer ist die Molekülpassage des zu trennenden Stoffes (z. B. Salz) in das Permeat. Der benötigte Betriebsdruck steigt ebenfalls mit der Höhe des Rückhaltevermögens.
Warme Lösungen lassen sich allgemein besser und effektiver voneinander trennen als kalte Lösungen. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Permeationsleistung deutlich. Die Sättigungskonzentration wird an der Membranoberfläche nicht so schnell erreicht.
Bei hohen Temperaturen eignen sich Membranen aus keramischen Werkstoffen.
Damit sich auf der Membranoberfläche keine Deckschicht bildet, muß durch einen genügend großen Volumenstrom die Lösung, die an der Eintrittsseite aufkonzentriert wurde und unter Druck steht, abgeführt werden. Auf eine Druck- bzw. Energierückgewinnung sollte nicht verzichtet werden.
Bei ausreichender Konzentration wird das Konzentrat anschließend in den Absorber geleitet.
Technische Membranprozesse gestatten Trennprozesse bis in den molekularen Bereich.
Die Membranfiltrationstechnik, insbesondere die Umkehrosmose und die Nanofiltration kommt vorwiegend in der Meerwasserentsalzung zum Einsatz.
Auch die Elektrodialyse und die Pervaporation gehören zu den Membranverfahren.
Die Pervaporation (Kunstwort aus Permeation und Vaporation (engl. Verdampfung)) ist ein Membranprozess, bei dem sich der Aggregatzustand ändert.
Auf der Permeatseite der Membran wird ein Unterdruck (Absorberdruck) erzeugt. So sinkt die Siedetemperatur des Permeates und es verdampft.
Die Pervaporation ist eine Extraktionstechnologie, bei der eine Membrane eingesetzt wird. In diesem Fall befindet sich die Lösung auf der einen Seite der Membran und Luft/Vakuum auf der anderen Seite. Der Trennvorgang erfolgt durch die Semipermeabilität der Membrane. Diese Technik wird bisher zur Abtrennung von Niedrigsiedern, zur Lösungsmittelwiedergewinnung, Trennung von zwei Lösungen (als Alternative zur Destillation), und um ein chemisches Gleichgewicht bei einer Reaktion durch Entfernung eines der Reaktionspartner einzustellen, verwendet. Anwendungsgebiete sind u. a. die Entfernung von Wasser aus Methanol/Ethanol, Veresterung von Säuren und Alkohol, und Lösungsmittelwiedergewinnung.
Bei der Pervaporation sind Lösung und Konzentrat flüssig, das Permeat dampfförmig. Die Triebkraft wird durch eine Absenkung des Permeatdrucks unter den Sattdampfdruck der permeierenden Komponente erzeugt (z. B. Unterdruck im Absorber und Verdampfer). Daraus resultiert die Verdampfung des Permeaden auf der Rückseite der Membran.
Beim Übergang vom Feed (Lösung) zum Permeat findet bereits der notwendige Phasenwechsel vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand statt. Die Verdampfungswärme wird dem flüssigen Feedstrom entzogen, der sich entlang der Membran abkühlt.
Zur Kompensation der abgeführten Verdampfungsenthalpie wird der Lösung über einen Wärmetauscher Wärme (z. B. Umgebungswärme, Solarwärme, Abwasserwärme, Geothermie, Abwärme) zugeführt.
Das dampfförmige Permeat (z. B. Wasserdampf) strömt nun wie bei einem gewöhnlichen Absorptionswärmepumpenprozess in den Absorber, wo es von der konzentrierten Lösung angesaugt wird und sich deutlich erwärmt.
Aufgrund des niedrigen Druckniveaus im Absorber kann die Lösungstrennung unter Einsatz der Pervaporationstechnik besonders wirtschaftlich betrieben werden.
Der Prozess sollte zusätzlich über eine Druckerhöhung auf der Primärseite der Membran, wo sich die zu trennende Lösung befindet, beschleunigt werden.
Die Lösung kann zuvor über andere Trennverfahren in ihrer Absorptionsmittelkonzentration „verdünnt" werden.
Der geringe Druck im Absorber führt bei den Membranfiltrationsprozessen zu einer höheren Druckdifferenz (Druck und Saugwirkung) und sollte daher insbesondere bei der Niedertemperaturverdampfung genutzt werden.
Die Elektrodialyse ist ein elektrochemisches Membranverfahren, mit dem z. B. eine Abtrennung von Salzen aus wässrigen Lösungen möglich ist. Bei diesem Prozess werden gelöste, ungeladene Moleküle nicht beeinflusst.
Der Energieaufwand ist auch hier von der Konzentration abhängig.
Die Trennverfahren können sinnvoll miteinander kombiniert werden, um den Trennprozess mit einem möglichst geringen Energieaufwand zu betreiben.
Sinnvoll ist auch eine grobe Trennung in eine starke und eine schwächere Lösung der zu Beginn des Trennprozesses recht hoch konzentrierten Lösung.
Hierbei kann auch die Auskristallisation bei geringen Temperaturen erwünscht sein, um dann den Trennprozess mit der zurückbleibenden schwachen Lösung bei höheren Temperaturen durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass ein Großteil des Salzes bereits im Vorwege abgetrennt wird und nicht den Filtrationsprozess bei höheren Temperaturen durchlaufen muß.
Die Kristallisation erfolgt auf möglichst niedrigem Temperaturniveau. Der untere Wärmeentzug kann über den Verdampfer erfolgen. Die hierbei entstehende Kristallisationwärme sollte durch einen Gegenstromwärmetauscher zurückgewonnen werden.
Da die Filtrationstrennung bei möglichst hoher Temperatur stattfindet, sollte auch das Permeat und die konzentrierte Lösung die Wärme auf das Feed übertragen.
Als zusätzliche Trennverfahren zur Unterstützung des Membranverfahrens sind auch Ultraschall, Frequenz-, Zentrifugalkraft-, Schichten-, Magnet-, Mikrowellen- und Elektrodialyseanwendung einzeln oder in Kombination möglich, um den Trennprozess zu beschleunigen und eine Bildung von Deckschichten auf den Membranen zu reduzieren.
Die Filtration kann einfach oder mehrfach erfolgen sowie einstufig oder auch mehrstufig. Deckschichten auf der Membran können regelmäßig entfernt werden. Dies kann mechanisch, chemisch, durch Gegenströmung, Schwingung, Schall, Zentrifugalkräfte oder ein mehrmaliges Durchlaufen der Lösung in unterschiedlichen Konzentrationen erfolgen.
Kombinierte Absorptionsprozesse, Druck und Energieerzeugung
Kombinierte Absorptionsprozesse können z. B. aus mechanischen Filtrations- und thermischen (konventionellen) Absorptionsprozessen bestehen.
Die benötigte Temperatur für den „Austreiber des thermischen Prozesses" wird hierbei über die Absorptionswärme des mechanischen Filtrationsprozesses bereitgestellt (Wärmetransformation).
Mit den kombinierten Prozessen können sowohl höhere Temperaturen als auch Tiefkühlkälte bei gleichzeitiger mechanischer bzw. elektrischer Energiegewinnung erzeugt werden.
Der AWKD-Prozess (Absorptions-Wärme-Kälte-Dampfkraftprozess (2)), mit und ohne vorgeschaltetem Wärmetransformationsprozess, ist ebenfalls ein erweiterter Absorptionswärme- bzw. Absorptionskälte-Prozess, bei dem jedoch mechanische bzw. elektrische Energie und Kälte/Wärme gleichzeitig erzeugt werden können. Für diesen Prozess werden höhere Temperaturen wie z. B. Motorabgase oder hochtransformierte Solar- oder Umgebungswärme benötigt, um eine ausreichende Druckdifferenz zwischen Austreiber und Kondensator bzw. Absorber zu erhalten. Die Druckdifferenz wird für die Energieerzeugung mit einer Expansionsmaschine und/oder zur Energierückgewinnung (Filtrationstrennprozess) benötigt.
Für die Wärmetransformation einer Niedertemperaturquelle können unterschiedliche, kombinierte Absorptionsprozesse (z. B. Ammoniak/Wasser (NH₃/H₂O) und Zinkchlorid/Wasser (ZnCl₂/H₂O)) zum Einsatz kommen, wobei der Gesamtprozess mittels Druck- und Wärmerückgewinnung zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führt.
Beispiel:
Umgebungswärme, Geothermie, Abwasserwärme, Abwärme oder Niedertemperaturwärme (T0) einer thermischen Solaranlage soll zu Kühlzwecken und zur mechanischen Energieerzeugung genutzt werden.
Abbildung. 1: Mehrstufiger Absorption-Filtrationsprozess.
Die Wärme wird zunächst dem Verdampfer 1 des Absorptions-Filtrations-Prozesses zugeführt (oder dem Verdampfer 2 bei Wärmerückgewinnung). Als Lösung dient beispielsweise Zinkchlorid und Wasser.
Die konzentrierte Lösung erwärmt sich hierbei in dem Absorber um etwa 30–60 Kelvin.
Die hochtransformierte Wärme kann nun nochmals (mehrfach) um jeweils etwa 30–60 Kelvin angehoben werden, wobei die zur Kühlung des Absorbers freiwerdende Wärme jeweils für den nachfolgenden Transformationsprozess erneut genutzt wird. (Die Absorptionswärme wird dem Verdampfer der nächsten Transformationsstufe zugeführt).
Arbeits- und Absorptionsmedien müssen nicht identisch sein.
Bei einem kurzzeitigen höheren Wärmebedarf wie z. B. Warmwasserbereitung kann der Prozess auch zwei- oder mehrfach durchlaufen werden. Hierzu kann die benötigte Verdampfungswärme einem Wärmespeicher oder dem zuvor erwärmten Medium (Raumheizung) entnommen werden.
Die Absorptionstemperatur erreicht z. B. nach zweimaliger Transformation (1) eine Temperaturanhebung von etwa 60 bis ca. 120 Kelvin.
Diese Wärme wird dem Austreiber des nachfolgenden Ammoniak/Wasser-Prozesses zugeführt, wobei der Ammoniakdampf ein hohes Druckniveau erreichen kann.
Der Ammoniakdampf dient in diesem Fall vorwiegend der Energie- bzw. Druckgewinnung, um den Filtrationsprozess zu unterstützen, kann jedoch ebenso auch zur Energieerzeugung genutzt werden.
Der Ammoniakdampf kann nun auf dem relativ niedrigeren Temperatur- und Druckniveau der ersten Verdampfer- bzw. Wärmetransformationsstufe kondensieren. Auch die Absorptionswärme kann an den Verdampfer (Stufe 1) abgegeben werden. Dies kommt dem Verdampfungsprozess der vorgelagerten Stufe zugute (Wärmerückgewinnung und zusätzlicher Wärmegewinn).
Bei ausreichender Primärwärme kann diese zusammen mit der zurückgewonnenen Kondensations- und Absorptionswärme der 2. Verdampferstufe zugeführt werden.
Das flüssige Ammoniak kann nun zur Kälteerzeugung genutzt werden.
Eine Kondensator- und eine Absorberkühlung, wie sie bei konventionellen Prozessen notwendig ist werden aufgrund der Wärmerückgewinnung nicht benötigt.
Auch die damit verbundenen Wärmeverluste werden bei den Wärmetransformationsprozessen vermieden (Wärmerückgewinnung).
Für die Kältebereitstellung kann die Wärmerückgewinnung vollständig genutzt werden, wobei der COP-Wert deutlich steigt (Kondensations- und Absorptionswärme geht bei konventionellen Prozessen weitgehend verloren).
Wird für die Wärmetransformationsprozesse vorwiegend Solar-, Umwelt- oder ungenutzte Abwärme genutzt, sind die Verluste zwischen den einzelnen (bei mehrfacher Transformation) Filtrationstrennprozessen weitgehend unbedeutend.
Entscheidend ist vielmehr der mechanisch notwendige Aufwand (Druckerzeugung) für den Filtrationsprozess und die mögliche Energierückgewinnung, bzw. mechanische oder elektrische Energiegewinnung, um den Gesamtprozess so effizient wie möglich zu gestalten.
Prozessbeschreibung der Drucknutzung, mechanischer und elektrischer Energieerzeugung.
Hochtransformierte Umgebungswärme, Solarwärme, Geothermie und/oder Abwärme mit relativ hohem Temperaturniveau beheizt den Austreiber, so dass das Kältemittel (z. B. Ammoniak) aus der reichen Lösung (NH₃/H₂O) ausdampft. (Geringe Mengen H₂O werden hierbei ebenfalls dampfförmig, welche jedoch unter Rückgewinnung der Kondensationswärme wieder zurückgewonnen werden können).
Der in dem Austreiber erzeugte Dampf wird hierbei nicht wie bei einer Absorptionswärme- bzw. kälteanlage über einen Kondensator und Expansionsventil sondern über eine Expansionsmaschine (1–2), (2) entspannt.
Somit kann zusätzlich mechanische Leistung bzw. elektrischer Strom erzeugt werden. Absorptions-Wärme-Kälte-Dampfkraftprozess (AWKD-Prozess)
Abbildung 2: Absorptions-Wärme-Kälte-Dampfkraft Prozess (AWKD-Prozess)
Der Dampf strömt anschließend in den Kondensator (2–3) und wird bei möglichst niedriger Temperatur verflüssigt.
Im Verdampfer entzieht das „Kältemittel" dem zu kühlenden Gut Wärme. Im Anschluss wird der „Kältemitteldampf" (z. B. Ammoniakdampf) im Absorber von der ammoniakarmen Lösung unter Wärmeabgabe absorbiert.
Der Kondensator und Absorber gibt je nach Bedarf die Wärme an den Heizungskreislauf (Wärmebedarf), an die Umgebung oder an den Verdampfer des Filtrationsprozesses (Wärmerückgewinnung) ab.
Systemvarianten in Abhängigkeit unterschiedlicher Last- und Anwendungsfälle, insbesondere bei der Nutzung von solarer Wärme.
Wird keine Niedertemperaturwärme benötigt, kann der Kondensator und Absorber des AWKD-Prozesses über den anschließenden Verdampfungsprozess (1. Stufe Wärmetransformation bzw. Absorptions-Filtrations-Prozess) gekühlt werden. (Kondensator und Verdampfer können aus einer gemeinsamen Einheit bestehen).
Bedingt durch das günstige Wärmeübertragungsverhältnis bei der Verdampfung und Kondensation besteht hierdurch eine niedrigere untere Prozesstemperatur, was einen besseren Carnot-Wirkungsgrad bewirkt
Ebenso kann das Arbeitsmittel nach Durchströmen der Expansionsmaschine und Abkühlung direkt in den Absorber gelangen (kein Kältebedarf).
Da der Druck im Absorber bei gleicher Temperatur wesentlich niedriger ist als im Kondensator kann mit einer deutlichen Leistungssteigerung gerechnet werden. Außerdem entfällt die Kühlung des Kondensators (Kühlturm).
Bei geringem Niedertemperatur-Wärmebedarf und ausreichender Solarwärme (Frühjahr/Herbst) kann die benötigte Heizwärme über den Kondensator und/oder dem Absorber des AWKD-Prozesses entnommen werden.
Die Expansionsmaschine liefert bereits bei einer geringen Temperatur- und Druckdifferenz (zwischen Austreiber und Kondensator) einen geringen Energiebetrag.
In sonnenreichen Gegenden können mit Hochtemperaturanlagen deutlich höhere Leistungen erzielt werden und mit dem AWKD-Prozess auch deutlich höhere Kühlleistungen.
„Spitzenleistungen" können über einen Zwischenwärmespeicher reduziert werden, um eine konstante Energieerzeugung bereitzustellen und die Größe und Kosten der Expansionsmaschine zu reduzieren.
Für den Verdichtungs- und Dampfkraftprozess kann vorerst eine modifizierte oder umgerüstete Kolben- oder Schraubenverdichterwärmepumpe dienen oder ein Linearantrieb bzw. Motor (Weiterentwicklung und Verbesserung).
Um den Druck für einen Filtrationsprozess zu nutzen kann mit einem Drucktransformator der benötigte Betriebsdruck (P1 × V1 = P2 × V2) erzeugt werden. (P1, V1 dampfförmig, geringer Druck, großes Volumen und P2, V2 flüssig, hoher Druck, geringes Volumen)
Mess-Steuer- und Regelungstechnik ist für einen optimalen, wirtschaftlichen und sparsamen Betrieb unumgänglich.
Bei dem AWKD-Prozess sollte das Drosselventil (arme Lösung) entfallen und stattdessen eine Druckrückgewinnung in Kombination mit der Lösungspumpe (zwischen Absorber und Austreiber) in einer Einheit zusammengefasst werden, damit der Überdruck einen Teil der benötigten Pumpleistung kompensieren kann. Gleichzeitig wird über einen Lösungs- und Arbeitsmittelwärmeüberträger (Gegenstromwärmetauscher) die Gesamteffizienz der Anlage deutlich verbessert.
Anwendungsbereiche
Der Wärmetransformationsprozesses (Filtrationsprozesses) kann zu Heizzwecken, zum Erzeugen von Prozesswärme, Kälte, Tiefkühlkälte und/oder zur Energieerzeugung (z. B. über die Zufuhr und anschließende Hochtransformation von Wärme aus Solarthermie, Abwärme einer Niedertemperaturbrennstoffzelle, Abluft, Motorkühlwasser, Geothermie, Meer- bzw. Seewasser) genutzt werden.
Die Anwendung reicht von einfachen Niedertemperaturheizen, einfache Kühlung bis hin zur Prozesswärme, Tiefkühlung, Luftentfeuchtung, Energiegewinnung und -rückgewinnung. In einem Niedertemperatur- bzw. Passivhaus mit Raumluftwärmerückgewinnung kann die Raumluft anschließend nacherwärmt oder auch im Bedarfsfall gekühlt werden.
Die Anwendungsbereiche liegen beispielsweise in der Lebensmittel-, Pharma-Chemieindustrie, Maschinenbauindustrie, Kraftwerken, Gebäudetechnik und Klimatisierung.
Weitere Anwendungsbereiche liegen auch im mobilen Bereich wie Schiffe, U-Boote, Schienenfahrzeuge, Busse, LKWs und PKWs.
Die Temperaturerhöhung kann z. B. am „Ende" eines Nah- oder Fernwärmenetzes zum Einsatz kommen und dieses wieder auf die benötigte Temperatur bringen.
Bei der Stromerzeugung mit Kraft-Wärmekopplung (z. B. Kohlekraftwerk) führt eine Wärmetransformation zu einer niedrigeren unteren Prozesstemperatur, wobei die Kondensatorkühlung des Dampfkraftprozesses (auch ORC- oder AWKD-Prozess) über die benötigte Verdampfungswärme des Absorptions-Filtrationswärmeprozesses erfolgt. Der mechanische bzw. elektrische Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses wird somit trotz Wärmebereitstellung nicht beeinträchtigt.
Auch die Rauchgase können über die Verdampfungswärme bis zur Kondensation gekühlt und wärmetechnisch genutzt werden.
Eine weitere Anwendung wäre z. B. die Energieerzeugung mit einem nachgeschalteten ORC- oder AWKD-Prozess.
Über zwei (oder mehrere), hintereinander geschaltete Absorptions-Filtrations-Prozesse kann eine erhebliche Temperaturanhebung erreicht werden, indem jeweils die Absorptionswärme dem Verdampfer des folgenden Absorptionsprozesses zugeführt wird.
Der Wärmetransformationsprozess kann auch für die Beheizung des Austreibers eines nachgeschalteten Tiefkühlprozesses z. B. Ammoniak/Wasser genutzt werden, wobei die benötigte Wärme dem Absorber des ein oder mehrstufigen Absorptions-Filtrationsprozesses entnommen wird.
Für die Nutzung von Oberflächenwasser warmer Gewässer und oder Geothermie kann ebenfalls mit der Wärmetransformation und anschließendem ORC- oder AWKD-Prozess deutlich mehr Energie erzeugt werden.
Die benötigte Kälte für die Kondensator und/oder Absorberkühlung wird dem tieferen Wasser oder dem Verdampfer des Wärmetransformationsprozesses entnommen.
Direktverdampfung des Arbeitsmittels
Bei einer Direktverdampfung z. B. innerhalb des Kollektors einer thermischen Solaranlage, Erdreichkollektoren oder einer gekühlten Photovoltaikanlage kann durch das Verfahren auf den Verdampfer verzichtet werden. Der Absorber liefert den notwendigen Unterdruck.
Bei der photovoltaischen Stromerzeugung wird ein Großteil der Sonneneinstrahlung in Wärme umgesetzt. Diese Wärme muß abgeführt werden, da sich ansonsten der Wirkungsgrad deutlich verschlechtert.
Die Wärmeabführung erfolgt i. a. durch eine Hinterlüftung. Eine Kühlung des Photovoltaikfläche sollte durch das Arbeitsmittel oder durch Direktverdampfung des Arbeitsmittels innerhalb des Kollektors erfolgen.
Die Photovoltaikelemente können somit ebenfalls in die Dach- oder Fassadenkonstruktion integriert werden und müssen nicht aufwendig hinterlüftet werden.
Aufgrund dieser effizienten Kühlung kann bei starker Sonneneinstrahlung aber auch schon während der Heizperiode ein deutlich besserer elektr. Wirkungsgrad der Photovoltaikelemente erreicht werden (der elektr. Wirkungsgrad sinkt pro K Temperaturerhöhung um etwa 0,4–0,5%). Außerdem kann eine Überhitzung vermieden und die Lebensdauer hierdurch erhöht werden.
Die aus den Photovoltaikelemente gewonnene Wärme kann wie bereits beschrieben zur Kälte- und Wärmeerzeugung genutzt werden.
Mechanische Leistungssteigerung, Wärme- und Kälteerzeugung über Abwärmenutzung von Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen im stationären und mobilen Bereich, sowie Biomassenutzung (z. B. Holzkessel):
Bei der Umwandlung thermischer in mechanische Energie ist der Wirkungsgrad durch die Thermodynamik auf Maximalwerte begrenzt, die durch die absoluten Temperaturen der Verbrennung und des Abgases, sowie des Kühlmittels gegeben sind (2. Hauptsatz der Thermodynamik).
Begrenzungen dieser Temperaturen durch die vorhandenen Materialien und das Temperaturniveau der Umgebung schränken diesen Wirkungsgrad auf etwa 35–45% ein.
Die Abwärme wird nur in seltenen Fällen vollständig genutzt.
Die Betrachtung der Energiebilanz moderner Motoren und Brennstoffzellen ermöglicht die quantitative Abschätzung der Energieeinsparung bzw. der Leistungssteigerung und CO₂-Reduzierung unter Nutzung der Abwärme mit dem Absorptions-Wärme-Kälte-Dampfkraft- oder ORC-Prozess und evtl. vorgeschalteter Wärmetransformation.
Auch hier kann unter der Nutzung des AWKD-Prozesses zusätzliche Antriebs- bzw. mechanische oder elektrische Energie, Wärme und Kühlleistung erzeugt werden.
Im mobilen Bereich (z. B. Schiffe, Flugzeuge, LKWs, PKWs, Bussen, Schienenfahrzeuge) ist insbesondere eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Möglichkeit der Kühlung, Klimatisierung und Energieeinsparung interessant.
Die Kondensator und/oder Absorberkühlung kann über Seewasser oder über die Außenluft bzw. über den Fahrtwind erfolgen.
Bei einem vorgeschalteten Wärmetransformationsprozess kann die Kondensator und Absorberkühlung (AWKD-Prozess) wiederum über die Verdampfungskälte der 1. Stufe (Absorptions-Filtrations-Prozess) erfolgen.
Je nach Kältebedarf kann hier das Arbeitsmittel nach Durchströmen der Expansionsmaschine in den Verdampfer oder direkt in den Absorber gelangen (auch ein zyklischer Betrieb ist möglich).
Da der Druck im Absorber bei gleicher Temperatur wesentlich niedriger ist als im Kondensator kann mit einer deutlichen Leistungssteigerung gerechnet werden.
Bei der Abwärmenutzung von Verbrennungskraftmaschinen können unterschiedliche Temperaturniveaus aus den Kühlem von Ladeluft, Schmieröl, Zylinderkühlwasser, evtl. Kondensationswärme und dem Abgaswärmetauscher genutzt werden.
Die niedrigen Kühlmitteltemperaturen können auf ein höheres Temperaturniveau transformiert werden und zusammen mit der hohen Abgastemperatur zur weiteren Energieerzeugung genutzt werden.
Die von einer Biomassefeuerung oder eines Heizkessels erzeugte Wärme wird direkt oder über einen Thermoölkreislauf auf den Austreiber des AWKD-Prozesses übertragen. Das Temperaturniveau sollte hierbei möglichst hoch liegen, um einen hohen Dampfdruck (z. B. NH₃) zu erhalten.
Der Einsatz von Wärmetransformationsprozessen ist bei der Verbrennung von Produkten mit hohem Feuchtewert wie beispielsweise Holz, Hackschnitzel, Stroh, Abfälle, Restmüll, organische Rohstoffe und Braunkohle interessant, da die Feuchtigkeit in den Rauchgasen durch die Nutzung der Kondensationswärme vollständig auf höherem Temperaturniveau genutzt werden kann.
Die Absorptionswärme kann zusätzlich an den Heizungskreislauf abgegeben werden.

Claims

Die Trennung des Arbeits- und Absorptionsmittels erfolgt über Filtrationsverfahren (z. B. Umkehrosmose, Nanofiltration, Ultrafiltration, Mikrofiltration, Pervaporation und/oder Dialyse bzw. Elektrodialyse). Als Absorptionsmittel kommen folgende Stoffe wie beispielsweise hygroskopische Salze, Nitrate, Bromide, Sulfate, Phosphate, Carbonate, Chloride, Chlorate, Perchlorate, Acetate, Salzgemische, Doppelsalze, Salzverbindungen und ionische Flüssigkeiten zum Einsatz. Auch Säuren, Laugen, Glycole, Halogene, Amine, polare und unpolare Lösungsmittel eignen sich als Absorptionsmittel. Die Löslichkeit kann im Allgemeinen durch Zugabe von Additiven erhöht werden. Der Absorptions- und Filtrationsprozess kann einstufig oder mehrstufig eingesetzt werden.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel bereits im Vorwege der Filtration durch Kristallisation verdünnt wird.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Trennverfahren zur Unterstützung des Membranverfahrens auch Ultraschall, Frequenz-, Zentrifugalkraft-, Schichten-, Magnet-, Mikrowellen- und Elektrodialyseanwendung einzeln oder in Kombination eingesetzt werden, um den Trennprozess zu beschleunigen und eine Bildung von Deckschichten auf den Membranen zu reduzieren.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess mehrfach durchlaufen wird unter Zuhilfenahme von Wärmezwischenspeichern.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Filtration mehrstufig im Prozess eingesetzt wird.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Trennprozesse in zwei oder mehreren hintereinander folgenden Prozessen stattfinden und die benötigte Verdampfungswärme aus der Absorptions- und Kondensationswärme der vorherigen Stufe in den nachfolgenden Prozessen erneut genutzt werden.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass es zwei oder mehrere stofflich voneinander getrennte Prozesse gibt, die mit unterschiedlichen Arbeits- und/oder Absorptionsmitteln arbeiten.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die hochtransformierte Wärme für einen konventionellen Absorptionsprozess für Kälte genutzt wird.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die hochtransformierte Wärme für einen konventionellen Absorptionsprozess für Tiefkühlkälte genutzt wird.
Absorptions- und Filtrationsprozess wie unter 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die hochtransformierte Wärme für einen AWK-Prozess zur Kälte- und Energieerzeugung genutzt wird.