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Die
Erfindung betrifft einen Mobilraum mit einem Zusatzaggregat, das
ein Brennstoffzellensystem und eine entsalzende Komponente einer
Entsalzungsvorrichtung zur Entsalzung eines zu entsalzenden Wassers
umfasst. Unter ”Mobilraum” wird hier beispielsweise
ein Landfahrzeug (wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Wohnwagen,
Wohnmobil oder Anhänger), ein Luftfahrzeug, eine schwimmfähige
Vorrichtung (wie Schiff, Boot, Unterseeboot, Rettungsinsel, schwimmende
Bohrinsel, Boje, Wasserflugzeug) oder eine mobile oder halbmobile
Unterkunft (wie Wohncontainer, Zelt, Buswartehäuschen oder
Toilettenhäuschen) verstanden. Das Zusatzaggregat ist typischerweise
eine sogenannte Hilfsenergieeinheit (Auxiliary Power Unit – APU).
Mit ”entsalzende Kompo nente einer Entsalzungsvorrichtung” ist eine
Vorrichtung gemeint, in der eine Trennung des (im zu entsalzenden
Wasser) enthaltenen Salzes von dem (im zu entsalzenden Wasser) enthaltenen
Wasser stattfindet. Das zu entsalzende Wasser ist beispielsweise
Meerwasser, Brackwasser oder Brunnenwasser mit einem unerwünscht
hohen Salzgehalt.
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Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entsalzung eines zu entsalzenden
Wassers mittels eines Zusatzaggregats zur Klimatisierung und/oder
Stromversorgung, wobei das Zusatzaggregat ein Brennstoffzellensystem
umfasst und die Entsalzung innerhalb des Zusatzaggregats durchgeführt wird.
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Die
bisherige Bereitstellung von Süßwasser in Mobilräumen
wird im Folgenden am Beispiel von Schiffen erläutert. Sie
erfolgt auf eine der folgenden beiden Arten. Entweder, es wird vor
der nächsten Passage Süßwasser in solcher
Menge geladen, dass es voraussichtlich bis zum Anlegen im nächsten
Hafen ausreicht. Oder das Schiff ist mit einer Süßwassergewinnungsanlage,
beispielsweise mit einer als Komplettsystem käuflichen
Meerwasserentsalzungsanlage, ausgerüstet. Solche Entsalzungsanlagen – wie
die in
DE 101 00 666
A1 dargestellte – haben den Nachteil, dass sie
einen großen Verbrauch an thermischer und/oder elektrischer
Energie haben. An Bord eines Schiffes ist Energie nicht im Überfluss
vorhanden, sondern muss – beispielsweise mittels eines Stromgenerators,
eines Brennstoffzellensystems oder einer elektrochemischen Batterie – ebenfalls erst
einmal an Bord erzeugt werden, und zwar gleichzeitig mit dem Verbrauch.
Im Ergebnis führt dieser zusätzliche Verbrauch
an elektrischer Energie letztlich tendenziell auch dazu, dass ein
leistungsfähigeres Stromversorgungssystem mitgeführt
werden muss. Die damit verbundenen höheren Anschaffungs-,
Betriebs- und Wartungskosten, der größere Raumbedarf
und das höhere Gewicht sind nachteilig. Mit anderen Arten
von Mobilräumen bestehen entsprechende oder ähnlich
gelagerte Probleme.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mobilraum mit
einem Zusatzaggregat bereitzustellen, der hinsichtlich der Anschaffungs-, Betriebs-
und Wartungskosten, des Raumbedarfs und des Gesamtgewichts aller
an Bord erforderlichen Vorrichtungen insgesamt günstiger
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Mobilraum
mit einem Zusatzaggregat dadurch auf, dass das Brennstoffzellensystem
dazu vorgesehen ist, die Entsalzungsvorrichtung zumindest zeitweise
und zumindest mittelbar mit einer ersten Energie zu versorgen, die
eine nichtthermische Energieform ist, und dass das Brennstoffzellensystem dazu
vorgesehen ist, die Entsalzungsvorrichtung, zumindest zeitweise
und zumindest mittelbar mit einer zweiten Energie zu versorgen,
deren Energieform unterschiedlich zu der Energieform der ersten
Energie ist. Dadurch ist es möglich, konzeptions- und herstellerseitig
in dem Gesamtsystem die E nergie- und Medienflüsse – wie
in einem Blockheizkraft – aufeinander abzustimmen. So können
Energie in unterschiedlichen Energieformen (insbesondere Prozesswärme)
und erzeugtes Wasser sowie etliche Vorrichtungskomponenten in synergetischer
Weise mehrfach genutzt werden, wodurch sich konzeptionelle Vorteile
ergeben, die letztlich zu insgesamt niedrigeren Anschaffungs-, Betriebs-
und Wartungskosten, einem niedrigeren Raumbedarf, einem niedrigeren Gewicht
und einem niedrigeren Verbrauch an Primärenergie führen.
Die Versorgung der Entsalzungsvorrichtung mit nichtthermischer Energie
aus dem Brennstoffzellensystem kann je nach konkreter Ausbildung
der Erfindung ununterbrochen stattfinden oder mit Unterbrechungen;
das ist mit ”zumindest zeitweise” gemeint. Die
Versorgung der Entsalzungsvorrichtung mit Energie von dem Brennstoffzellensystem
erfolgt entweder gar nicht oder zumindest nicht ausschließlich
nur direkt mit thermischer Energie. Je nach konkreter Ausbildung
der Erfindung kann sie beispielsweise direkt mit nichtthermischer Energie
und/oder mittelbar mit thermischer Energie erfolgen. Beispielsweise
kann eine Kühlung des Abgassystems eines Nachbrenners des
Brennstoffzellensystems dazu dienen, eine Turbine mit einem Stromgenerator
anzutreiben, der einen Kompressor der Entsalzungsvorrichtung mit
elektrischer Energie versorgt; so eine Anordnung wird hier als mittelbare Versorgung
der Entsalzungsvorrichtung mit nichtthermischer Energie betrachtet.
Auch eine umgekehrte Anordnung ist realisierbar: Eine aus dem Brennstoffzellensystem
entnommene nichtthermische Energie (insbesondere elektrische Energie) kann
außerhalb des Brennstoffzellensystems zunächst
in eine thermische Energie umgewandelt zu werden, um dann eine nach
dem Verdampferprinzip arbeitende Entsal zungsvorrichtung anzutreiben.
So eine Anordnung wird hier ebenfalls als mittelbare Versorgung
der Entsalzungsvorrichtung mit nichtthermischer Energie betracht.
Außerdem ist es auch möglich, die nichtthermische
Energieform nur als eine Zwischenenergieform vorzusehen. Dazu kann
beispielsweise der Strom aus dem vorgenannten Generator im Brennstoffzellenabgassystem
dazu verwendet werden, einen Verdampfer der Entsalzungsvorrichtung
mit einer elektrischen Heizung zu beheizen. Auch so eine Anordnung
wird hier als mittelbare Versorgung der Entsalzungsvorrichtung mit
nichtthermischer Energie betracht. ”Zumindest mittelbar
mit einer ersten Energie zu versorgen, die eine nichtthermische
Energieform ist” umfasst hier also folgende Ausführungsformen:
- – unmittelbare Versorgung mit nichtthermischer Energie,
das heißt ohne Anwendung einer thermischen Energieform;
- – mittelbare Versorgung mit nichtthermischer Energie,
das heißt mit kaskadierter Anwendung von mindestens zwei
Energieformen, von denen mindestens eine nichtthermisch ist. Wegen
der sich daraus ergebenden Vielfalt von möglichen Ausführungsvarianten
wird so ein großer Gestaltungsspielraum bereitgestellt,
der beim Entwurf und Betrieb einer solchen integrierten Entsalzungsvorrichtung
mit Stromversorgungs- und/oder Klimatisierungsfunktion zugunsten
einer Minimierung eines Verbrauchs knapper Ressourcen genutzt werden
kann.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Brennstoffzellensystem
dazu vorgesehen ist, die Entsal zungsvorrichtung zumindest zeitweise und
zumindest mittelbar mit elektrischer, mechanischer, hydraulischer,
pneumatischer und/oder chemischer Energie zu versorgen.
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In
einer auch bevorzugten Ausführungsform beruht die Entsalzung
auf einer Verdampfung des zu entsalzenden Wassers. Auch dieses Entsalzungsverfahren
ist eine technisch ausgereifte, bewährte Methode der Entsalzung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beruht die Entsalzung
auf einem Gefrieren des zu entsalzenden Wassers. Dieses grundsätzlich
energiesparende Entsalzungsverfahren befindet sich noch im Forschungsstadium.
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Außerdem
ist eine Ausführungsform vorteilhaft, in der die Entsalzungsvorrichtung
zwei, drei oder mehr Entsalzungsstufen aufweist. Durch mehrfache
Anwendung eines oder mehrerer der genannten Verfahren ist ein höherer
Reinheitsgrad oder eine höhere Qualität der Entsalzung
erreichbar.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist die Entsalzungsvorrichtung
einen Filter zur Reinigung des zu entsalzenden Wassers auf. Das
Filter verhindert ein Verunreinigen der Entsalzungsvorrichtung und
ermöglicht so einen zuverlässigen, dauerhaften
Betrieb der Entsalzungsvorrichtung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist die Entsalzungsvorrichtung
einen Filter zur Reinigung des entsalzten Wassers auf.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems
weist eine Entsalzungsvorrichtung auf, die zur Brauch-, Kühl-
oder Trinkwassergewinnung vorgesehen ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform umfasst eine Entsalzungsvorrichtung,
die dazu vorgesehen ist, Meerwasser zu entsalzen. Eine Entsalzungsvorrichtung,
die dazu vorgesehen und folglich auch fähig ist, Meerwasser
zu entsalzen, ist beispielsweise auf einem Schiff von besonderem
Nutzen, wenn sich das Schiff auf einem Meer befindet und aus Platz-,
Gewichts- oder aus anderen Gründen eine umfängliche Mitnahme
von Süßwasser unerwünscht oder nicht möglich
ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das
Zusatzaggregat eine Vorrichtung, die dazu dient, mindestens einen
weiteren Energieverbraucher des Mobilraums mit elektrischer, thermischer,
mechanischer, hydraulischer, pneumatischer, chemischer oder einer
anderen Art von Energie zu versorgen. Durch einen Anschluss mehrerer
unterschiedlicher Energieverbraucher mit unterschiedlichen Versorgungsanforderungen
können Lastspitzen besser ausgeglichen werden; und es ist
eine insgesamt energieeffizientere Auslastung des Brennstoffzellensystems
erreichbar.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform dient das Zusatzaggregat
dazu, eine Klimaanlage anzutreiben. Die Einbeziehung eines solchen
leistungsstarken Verbrauchers wie eine Klimaanlage in den energetischen
Gesamthaushalt des Zusatzaggregats kann dessen Gesamtwirkungsgrad insbesondere
dann verbessern, wenn eine Steuerung des Zusatzaggregats einen Energieverbrauch der
Klimaanlage zeitlich und/oder mengenmäßig wenigstens
teilweise beeinflussen kann.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform umfasst der
Mobilraum eine Lastausgleichssteuerung, die dazu dient, eine Leistung
des Brennstoffzellensystems insbesondere zu solchen Zeiträumen
verstärkt zur Entsalzungsvorrichtung zu leiten, in denen
eine gesamte thermische beziehungsweise elektrische Leistungsabnahme
des beziehungsweise der weiteren Energieverbraucher niedriger ist
als in einem optimalen Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Mobilraum
einen Wasserstrahlantrieb auf, dessen Wasserstrahlpumpe zumindest
zeitweise dazu dient, das in dem zu entsalzenden Wasser enthaltene
Wasser durch die Membran zu pressen. Durch diese Maßnahme
kann ein separater Kompressor für das membranbasierte Entsalzungsverfahren
(Umkehrosmoseverfahren) ganz eingespart werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es
sich bei dem Mobilraum um ein Landfahrzeug (wie einen Personenkraftwagen,
Lastkraftwagen, Wohnwagen, Wohnmobil oder Anhänger), ein
Luftfahrzeug, eine schwimmfähige Vorrichtung (wie ein Schiff,
ein Boot, ein Unterseeboot, eine Rettungsinsel, eine schwimmende
Bohrinsel, eine Boje, ein Wasserflugzeug) oder eine mobile oder halbmobile
Unterkunft (wie einen Wohncontainer, ein Zelt, ein Buswartehäuschen
oder ein Toilettenhäuschen).
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Die
Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren
zur Entsalzung mittels eines Zusatzaggregats zur Klimatisierung
und/oder Stromversorgung dadurch auf, dass die Entsalzung zumindest zeitweise
unter Zuhilfenahme einer ersten Energie erfolgt, die von dem Brennstoffzellensystem
zumindest mittelbar erzeugt wird und deren Energieform nichtthermisch
ist, und dass die Entsalzung zumindest zeitweise unter Zuhilfenahme
einer von der ersten Energie unterschiedlichen zweiten Energie erfolgt,
die ebenfalls von dem Brennstoffzellensystem zumindest mittelbar
erzeugt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt
das Trennen des in dem zu entsalzenden Wasser enthaltenen Wassers
von dem in dem zu entsalzenden Wasser enthaltenen Salz durch Verdampfen
des in dem zu entsalzenden Wasser enthaltenen Wassers durch Gefrieren
des in dem zu entsalzenden Wasser enthaltenen Wassers oder durch
Pressen des in dem zu entsalzenden Wasser enthaltenen Wassers durch
eine Membrane.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand
besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform
des Zusatzaggregats des Mobilraums.
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Im
Folgenden werden Merkmale der in den Figuren dargestellten Anordnungen
beschrieben, welche in einer gemeinsamen Ausführungsform
verwirklicht sein können.
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Das
in 1 als Blockschaltbild dargestellte Zusatzaggregat 10 ist
in oder auf einem der oben definierten Mobilräume angeordnet.
Vorzugsweise ist das Zusatzaggregat 10 an dem Mobilraum
dauerhaft befestigt. Das Zusatzaggregat 10 kann aber beispielsweise
auch als ein tragbares Zusatzaggregat 10 in Container-
oder Koffergestalt ausgebildet sein. Es kann auch einen Wasserstrahlantrieb 24 umfassen
und als ein integrierter entfernbarer Außenbordmotor oder
Außenbordstrahlantrieb ausgestaltet sein. Das Zusatzaggregat 10 umfasst
ein Brennstoffzellensystem 12 und mindestens eine der drei
dargestellten Entsalzungsvorrichtungen 14, 16, 18.
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Die
Funktionsweise der ersten Entsalzungsvorrichtung 14 beruht
im Wesentlichen darauf, das zu entsalzende Wasser mit einer Hochdruckpumpe 20 auf
eine Membrane 22 zu pressen, durch die dann – aufgrund
des Wasserdrucks – Wassermoleküle mit wesentlich
höherer Wahrscheinlichkeit hindurchtreten als salzhaltige
Wasserbestandteile. Ein solches Verfahren wird in industriellen
Entsalzungsanlagen eingesetzt und als Umkehrosmose bezeichnet. Bei einem
Mobilraum mit einem Wasserstrahlantrieb 24 kann die Hochdruckpumpe 20 des
Wasserstrahlantriebs 24 gleichzeitig oder alternativ zur
Herstellung des Wasserdrucks für das Entsalzungsverfahren
mitverwendet werden. Dadurch werden Herstellungskosten, Gewicht,
Raumbedarf, Anschlüsse und Wartungsaufwand für
eine zweite Hochdruckpumpe (Kompressor) eingespart. Hierbei kann
sich – wie in 1 dargestellt – ein
wesentlicher Teil 20 der Entsalzungsvorrichtung 14, 20 (beispielsweise
die Hochdruckpumpe 20) außerhalb des Zusatzaggregats 10 befinden,
während sich ein anderer wesentlicher Teil der Entsalzungsvorrichtung 14, 20 (nämlich
die entsalzende Komponente 22) innerhalb des Zusatzaggregats 10 befindet.
Der nicht dargestellte elektrische Antrieb der Hochdruckpumpe 20 wird
vorzugsweise mittels elektrischer Energie angetrieben, die er von dem
Brennstoffzellensystem 12 über eine elektrische Leitung 26 bezieht.
Mittels der Hochdruckpumpe 20 versorgt das Brennstoffzellensystem 12 die
Entsalzungsvorrichtung 14 – in dem eingangs definierten Sinne – sowohl
mittelbar mit hydraulischer Energie als auch mittelbar mit elektrischer
Energie. In dieser Ausführungsform handelt es sich also – trotz
der ”nur” mittelbaren Energieversorgung der Entsalzungsvorrichtung 14 – sogar
bei beiden Energien um nichtthermische Energien. Der Wasserstrahlantrieb 24 umfasst
ein Ansaugteil 28, die Hochdruckpumpe 20 und eine
Austrittsdüse 30. Das Ansaugteil 28 weist
ein nicht dargestelltes Sieb auf, um ein Ansaugen (größerer)
fester Bestandteile in die Hochdruckpumpe 20 zu verhindern.
Zwischen der Hochdruckpumpe 20 und der Austrittsdüse 30 ist
ein erstes Dreiwegeventil 32 angeordnet, mit dem gleichzeitig
oder alternativ ein Teil eines Austrittswasserstroms aus der Hochdruckpumpe 20 beziehungsweise
der gesamte aus der Hochdruckpumpe 20 austretende Wasserstrom über
eine Abzweigleitung 34 auf ein erstes Wasserfilter 36 geleitet
wird. Das erste Wasserfilter 36 dient dazu, die Membrane 22 vor
Beschädigung und Verschmutzung durch im angesaugten Wasser
noch enthaltene feste Bestandteile zu schützen. Je nach
erreichtem Verschmutzungsgrad ist das erste Wasserfilter 36 von
Zeit zu Zeit zu reinigen oder gegen ein neues auszutauschen. Aufgrund
des auch hinter dem ersten Wasserfilter 36 noch vorhandenen
hohen Wasserdrucks treten Wassermoleküle durch die Membrane 22 mit
wesentlich höherer Wahrscheinlichkeit hindurch als salzhaltige
Bestandteile des zu entsalzenden Wassers. Das hindurchgetretene
Wasser wird mit einer Vorrichtung 14 gesammelt und über eine
Wasserleitung 38 und ein Ventil 40 einer Süßwassersammelleitung 42 zugeführt
und in einem Süßwassersammelbehälter 44 gesammelt.
Wenn ein erhöhter Reinheitsgrad und/oder Entsalzungsgrad gewünscht
ist, dann kann hiernach eine weitere Entsalzung und/oder Reinigung
durchgeführt werden. Hierfür ist eine Wasserrückführleitung 46 vorgesehen,
mit der gesammeltes Süßwasser über ein
zweites Dreiwegeventil 48 einer Niedrigdruckpumpe 50 zugeführt
wird. Die Niedrigdruckpumpe 50 ist dazu vorgesehen, das über
die Wasserrückführleitung 46 angesaugte
Wasser über eine Steigleitung 51 einem Wasserhochbehälter 52 oder
Ausgleichsgefäß 52 zuzuführen,
wobei ein nicht dargestellter Regelkreis mit einem ersten Wasserpegelsensor 54 am
Wasserhochbehälter 52 und einem Zweipunktregler
die Niedrigdruckpumpe 50 einschaltet, wenn ein durch den
ersten Wasserpegelsensor 54 gemessener Wasserpegel unter
einen ersten unteren Grenzpegel abgefallen ist und ausschaltet,
wenn der durch den ersten Wasserpegelsensor 54 gemessene
Wasserpegel über einen ersten oberen Grenzpegel angestiegen ist.
Die Niedrigdruckpumpe 50 wird von dem Brennstoffzellensystem 12 über
die elektrische Leitung 55 mit elektrischer Energie versorgt.
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Die
Stellung des zweiten Dreiwegeventils 48 wird von einem
nicht dargestellten zweiten Zweipunktregler gesteuert. Dazu befindet
sich an dem Süßwasserbehälter 44 ein
zweiter Wasserpegelsensor 56. Der zweite Zweipunktregler
stellt das zweite Dreiwegeventil 48 so ein, dass die Ansaugleitung 58 der
Niedrigdruckpumpe 50 mit der Rückführleitung 46 verbunden
wird, wenn ein durch den zweiten Wasserpegelsensor 56 gemessener
Wasserpegel über einen zweiten oberen Grenzpegel angestiegen
ist, und dass die Ansaugleitung 58 der Niedrigdruckpumpe 50 mit
einer externen Ansaugleitung 60 verbunden ist, wenn der
durch den zweiten Wasserpegelsensor 56 gemessene Wasserpegel
unter einen zweiten unteren Grenzpegel abgefallen ist. Durch die beiden
Regelkreise kann auf einfache Weise dafür gesorgt werden,
dass sowohl der Wasserhochbehälter 52 als auch
der Süßwasserbehälter 44 in
der Regel einen Füllgrad aufweist, der den ersten beziehungsweise
zweiten unteren Grenzpegel kaum unterschreitet. Die externe Ansaugleitung 60 weist
einen Ansaugstutzen 61 auf, der – wie der Wasserstrahlantrieb 24 – unterhalb
der Wasseroberfläche 63 angeordnet ist.
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Die
zweite Entsalzungsvorrichtung 16, welche nach dem Verdampferprinzip
arbeitet, wird von einer nicht dargestellten Steuerung vorzugsweise dann
in Betrieb genommen, wenn aus dem Brennstoffzellensystem 12 überschüssige
Prozessenergie abzuführen ist. Beispielsweise arbeiten
Festoxidbrennstoffzellen typischerweise in einem Temperaturbereich
um ca. 800°C. Hierbei entstehen sehr heiße Abgase
mittels derer über ein erstes Wärmeaustauschmittel 62,
beispielsweise einer Heat-Pipe 62, die zweite Entsalzungsvorrichtung 16 nach
dem Verdampferprinzip betrieben werden kann. Die Vorrichtung mit
dem Bezugszeichen 64 symbolisiert ein für den
Verdampfer 16 notwendiges Heizelement 64. Alternativ
oder zu sätzlich kann das Heizelement 64 mittels
eines zweiten Wärmeaustauschmittels 65 von einem
Sonnenkollektor 67 mit Wärmeenergie versorgt werden.
Die Inbetriebnahme der zweiten Entsalzungsvorrichtung 16 nach
dem Verdampferprinzip erfolgt unter anderem durch Öffnen
der Ventile 66, 68. Die Wasserleitung 70 mit
dem Ventil 66 dient einer Zuführung von Wasser
aus dem Wasserhochbehälter 52 und/oder direkt
von der Niedrigdruckpumpe 50. Die Wasserleitung 72 mit
dem Ventil 68 dient einer Abführung des von der
Entsalzungsvorrichtung 16 bereitgestellten – im
Wesentlichen salzfreien – Wassers zur Wassersammelleitung 42.
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Die
dritte Entsalzungsvorrichtung 18, welche nach dem Gefrierprinzip
arbeitet, wird von der nicht dargestellten Steuerung vorzugsweise
zu Zeiträumen in Betrieb genommen, in denen die Gesamtheit der
an dem Brennstoffzellensystem 12 angeschlossenen sonstigen
elektrischen Verbraucher – wie wie sie auch die Vorrichtungen 20, 50, 74, 76 darstellen – von
dem Brennstoffzellensystem 12 weniger elektrische Leistung
abfordert als für eine Erreichung eines optimalen Wirkungsgrads
des Brennstoffzellenbetriebs 12 notwendig ist. Die Vorrichtung
mit dem Bezugszeichen 78 symbolisiert ein für
die nach dem Gefrierprinzip arbeitende Entsalzungsvorrichtung 18 notwendiges
Kühlaggregat 78. Das Kühlaggregat 78 wird
typischerweise mit einem Kompressor betrieben. Es ist aber auch
eine Kühlung nach dem Absorberprinzip mittels eines elektrischen
Heizelements oder – ähnlich wie bei der zweiten
Entsalzungsvorrichtung 16 – mittels einer von
dem Brennstoffzellensystem 12 bereitgestellten Prozesswärme
realisierbar. Das Entsalzungsverfahren nach dem Gefrierprinzip wird
im Folgenden am Beispiel einer Entsalzung von Meerwasser erläutert.
Der Gefrierpunkt von Meerwasser liegt bei etwa minus 2,5°C.
Nach dem Gefrieren liegt das Wassereis dann in Reinform, also im
Wesentlichen ohne die anderen Bestandsteile des Meerwassers vor.
Gefrieren führt der Umgebung Gefrierwärme zu,
die von dem Kühlaggregat 78 der dritten Entsalzungsvorrichtung 18 abzuführen
ist. Vorzugsweise wird deren Leistungsfähigkeit so bemessen
oder mittels einer nicht dargestellten Regelung geregelt, dass nicht
quasi schlagartig das gesamte in der Kühlung befindliche
Wasser gleichzeitig gefriert, sondern sich im Ergebnis nur eine
obere Eisschicht bildet. Vorzugsweise ist dann die Leistung der
Kühlung so eingestellt, dass sich einerseits eine möglichst
dicke Eisschicht ausbilden kann und andererseits unterhalb der Eisschicht
dann immer noch eine größere Menge flüssigen
Wassers verbleibt, die noch nicht mit Salz gesättigt ist.
Im Ergebnis befinden sich dann (fast) alle Salzbestandteile nur
noch in der Flüssigkeit unter dem Eis. Zur Trennung des
salzfreien Wassereises von der salzhaltigen Flüssigkeit
unter der Eisschicht wird die Eisschicht mit einem Rechen, der aus
nichtrostendem Stahl, aus Kunststoff oder einer Keramik besteht,
aus der Flüssigkeit herausgehoben und von ihr abgehoben.
Die salzhaltige Flüssigkeit kann beispielsweise durch ein
nicht dargestelltes Salzlakenabflussrohr zu einer anderen Vorrichtung
zwecks Salzgewinnung geleitet und dort weiterverarbeitet werden
oder ins Meer zurückgeführt werden. Die Entsalzungsvorrichtung 18 wird vorzugsweise
so bemessen, dass die Dicke und Fläche der Eisschicht letztlich
groß genug sind, um ein Verhältnis zwischen Oberfläche
der sich bildenden Eiskörper (Eiswürfel) zum Volumen
der Eiskörper möglichst klein zu halten. Außerdem
sollte die Vorrichtung möglichst so konstruiert sein, dass
sich Eiskörper ausbilden, die eine Oberfläche
mit möglichst geringer Rauhigkeit haben. Jede der beiden
Maßnahmen führt zu dem Vorteil, dass sich dann
an der Oberfläche der Eiskörper nicht so viel
Salz anlagert und damit der Salzgehalt des Schmelzwassers der Eiskörper
verringert wird. Zweckmäßigerweise wird nun die
Eisschicht – ähnlich wie bei einem Eisbereiter – zu
einem Eisbehälter geführt. Dort kann das Eis beispielsweise
direkt als Getränkeeis, für einen Eisbrunnen oder
als Kühleis, beispielsweise zur Kühlung von Fischen
oder von Meeresfrüchten, verwendet werden. Auch ist es
möglich, das Eis in dem Eisbehälter durch Zuführung
von Wärme, und zwar vorzugsweise mittels Prozesswärme
aus dem Brennstoffzellensystem 12, zu erhitzen und damit
aufzutauen. Da das Wassereis reines Wasser ist, liegt dessen Schmelzpunkt
nicht beim Gefrierpunkt des Meerwassers, sondern beträgt
bei Normaldruck 0°C. Das so gewonnene Süßwasser
kann über Leitung 80 und Ventil 82 der
Süßwassersammelleitung 42 zugeführt werden.
Die weitere Verwendung kann dann genauso sein, wie sie für
das durch die erste Entsalzungsvorrichtung 14 gewonnene
Süßwasser beschrieben wurde. Insbesondere ist
es aufgrund der Wasserrückführleitung 46 möglich,
den Prozess an ”demselben” Wasser wiederholt auszuführen,
so dass ein Reinheitsgrad des so gewonnenen Wasser erhöht werden
kann. Die Inbetriebnahme der Entsalzungsvorrichtung 18 nach
dem Gefrierprinzip erfolgt unter anderem durch Öffnen der
Ventile 84 und 82. Die Leitung 86 mit
dem Ventil 84 dient einer Zuführung von Wasser
aus dem Wasserhochbehälter 52 und/oder direkt
von der Niedrigdruckpumpe 50. Die Leitung 80 mit
dem Ventil 82 dient einer Abführung des von der Entsalzungsvorrichtung 18 bereitgestellten
im Wesentlichen salzfreien Wassers zur Süßwassersammelleitung 42.
Das Kühlaggregat 78 wird von dem Brennstoffzellensystem 12 über
eine elektrische Leitung 79 mit elektrischer Energie versorgt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Kühlaggregat 78 der
dritten Entsalzungsvorrichtung 18 gleichzeitig auch zum
Betreiben einer auf dem Mobilraum ohnehin vorhandenen Klimaanlage
mitverwendet wird.
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Schließlich
gibt es noch eine vierte Möglichkeit, mit dem Zusatzaggregat 10 Süßwasser
zu gewinnen. Das Brennstoffzellensystem 12 erzeugt nämlich
typischerweise als Hauptreaktionsprodukt Wasser. Auch dieses Wasser
kann über Wasserleitung 88 und Ventil 90 dem
Süßwasserbehälter 44 zugeführt
werden und in der vorbeschriebenen Weise mittels der zweiten 16 und/oder
dritten 18 Entsalzungsvorrichtung nachgereinigt werden.
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An
den Süßwassersammelbehälter
44 können
eine oder mehrere Wasseraufbreitungsvorrichtungen
74 für
eine chemische und/oder physikalische Desinfektion, Wasseranalyse,
Qualitätsüberwachung und/oder Hinzugabe von Zusätzen
wie Jod angeschlossen sein. Ein zwischen dem Süßwassersammelbehälter
44 und
der Wasseraufbereitungsvorrichtung
74 angeordnetes Ventil
75 dient
dazu, den Zufluss zur Wasseraufbereitungsvorrichtung
74 für
den Fall abzusperren, dass sich in dem Süßwassersammelbehälter
gerade Wasser mit noch nicht ausreichender Qualität befindet,
so das dieses erst noch einer weiteren Behandlung zuzuführen
ist, bevor es in der Wasseraufbereitungsvorrichtung
74 aufbereitet werden
kann. An der Wasseraufbereitungsvorrichtung ist typischerweise ein
Wasserverteilsystem
76 angeschlossen, das beispielsweise
Vor richtungen
92 zum Beimischen von Quellwasser, Fruchtsäften
und dergleichen, sowie Nahrungsmittelergänzungsstoffen,
wie Aromastoffen, Mineralien, Vitamine und Jod aufweist. Das Wasserverteilsystem
76 kann
auch Vorrichtungen zum Kühlhalten von Wasser und/oder Mischgetränken
und zur Gewinnung von Eiswürfeln sowie Vorrichtungen zum
Ausgeben und/oder Verteilen dieser Produkte umfassen. Als Beispiel
dafür ist in der Figur ein Wasserhahn
94 mit einem
darunter gehaltenen Trinkbecher
96 dargestellt. Anstelle
des Wasserverteilsystems
76 oder zusätzlich zu
dem Wasserverteilsystem
76 kann eine in der Figur nicht dargestellte
Kühlvorrichtung dazu verwendet werden, Wasser aus dem Süßwassersammelbehälter
44 nach
einem Verdunstungskälteerzeugungsprinzip zur Kühlung
des Mobilraums oder eines Teils desselben zu verwenden. Hierfür
kann ein handelsüblicher Zimmerspringbrunnen oder ein an
den jeweiligen Anwendungsfall angepasster Springbrunnen geeignet sein.
Die
WO 2007/009752
A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung, die an einer
Wand eines zu kühlenden Raumes befestigt ist und zur Erzeugung
von Verdunstungswärme einen Flüssigkeitsvorhang
aufrechterhält. Die
DE 296 00 276 U1 beschreibt ein Vorsatzgerät
für Ventilatoren, das Kühllamellen aus saugfähigem
Material aufweist, die mit Wasser getränkt werden. Die
Verwendung entsalzten Wassers hat den Vorteil, dass sich in der
Kühlvorrichtung weniger Salz ablagert, das eine Nachhaltigkeit
einer Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung beeinträchtigt.
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Die
Wasseraufbereitungsvorrichtungen 74, sowie das Wasserverteilsystem 76 werden
typischerweise elektrisch angetrieben und beziehen die dazu notwendige
elektrische Energie vorzugsweise von dem Brennstoffzellensystem 12 über
die e lektrische Leitung 24. Auch ist es möglich,
einen Teil des im Süßwassersammelbehälter 44 gesammelten
Wassers nicht als Trinkwasser sondern für bestimmte technische
Verwendungen speziell aufzubereiten. Solches Wasser kann in besonders
vorteilhafter Weise zur Anfeuchtung eines Reformerbrennstoffs an
einem Katalysatoreingang des Brennstoffzellensystems 12 verwendet
werden.
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Das
beschriebene Zusatzaggregat 10 kann in vielfältiger
Weise abgewandelt werden. Beispielsweise sind Ausführungsformen
mit nur einer oder zwei der beschriebenen Entsalzungsvorrichtungen 14, 16, 18 möglich.
Bei den Entsalzungsvorrichtungen 16, 18 kann auch
ein anderes bekanntes Entsalzungsverfahren zur Anwendung kommen,
wie beispielsweise ein Elektrolyseverfahren bei der dritten Entsalzungsvorrichtung 18.
Eine nicht dargestellte übergreifende Steuerung kann so
programmiert werden, dass sich der Betrieb des Zusatzaggregats 10 auf
bestimmte Optimierungskriterien oder auf eine Mischung bestimmter
Optimierungskriterien hin ausrichtet. Als Optimierungskriterien
kommen beispielsweise eine ausreichende Verfügbarkeit von
Wasser, elektrischer Energie und thermischer Energie in Frage. Darüber
hinaus kann der Betrieb des Zusatzaggregats 10 auf eine
Erreichung eines hohen Gesamtwirkungsgrads hinsichtlich Brennstoffverbrauch und/oder
Standzeit des Brennstoffzellensystems 12 und anderer Vorrichtungen
hin ausgerichtet sein. Die übergreifende Steuerung kann
zum Auffinden einer näherungsweisen Lösung für
eine solche Optimierungsaufgabe iterativ verschiedene Szenarien
durchspielen und davon das Szenario mit dem besten Optimierungsergebnis
auswählen und zur Durchführung in dem Zusatzaggregat 10 veranlassen.
Vorzugs weise wird dieser Optimierungsvorgang in regelmäßigen Zeitabständen
wiederholt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich,
solch einen Optimierungslauf anlässlich einer erfolgten Änderung
in den Ausgangsbedingungen, wie beispielsweise anlässlich
einer Entnahme einer größeren Wassermenge, durchzuführen.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die
Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Zusatzaggregat
- 12
- Brennstoffzellensystem
- 14
- erste
Entsalzungsvorrichtung (Umkehrosmose)
- 16
- zweite
Entsalzungsvorrichtung (Verdampfer)
- 18
- dritte
Entsalzungsvorrichtung (Gefrierprinzip)
- 20
- Hochdruckpumpe
- 22
- Membrane
- 24
- Wasserstrahlantrieb
- 26
- elektrische
Leitung
- 28
- Ansaugteil
- 30
- Austrittsdüse
- 32
- erstes
Dreiwegventil
- 34
- Abzweigleitung
- 36
- erstes
Wasserfilter
- 38
- Wasserleitung
- 40
- Ventil
- 42
- Süßwassersammelleitung
- 44
- Süßwassersammelbehälter
- 46
- Wasserrückführleitung
- 48
- zweites
Dreiwegeventil
- 50
- Niedrigdruckpumpe
- 51
- Steigleitung
- 52
- Wasserhochbehälter,
Ausgleichsgefäß
- 54
- erster
Wasserpegelsensor
- 55
- elektrische
Leitung
- 56
- zweiter
Wasserpegelsensor
- 58
- Ansaugleitung
- 60
- externe
Ansaugleitung
- 61
- Ansaugstutzen
- 62
- erstes
Wärmeaustauschmittel
- 63
- Wasseroberfläche
- 64
- Heizelement
- 65
- zweites
Wärmeaustauschmittel
- 66
- Ventil
- 67
- Sonnenkollektor
- 68
- Ventil
- 70
- Wasserleitung
- 72
- Wasserleitung
- 74
- Wasseraufbereitungsvorrichtungen
- 75
- Ventil
- 76
- Wasserverteilsystem
- 78
- Kühlaggregat
- 79
- elektrische
Leitung
- 80
- Wasserleitung
- 82
- Ventil
- 84
- Ventil
- 86
- Wasserleitung
- 88
- Wasserleitung
- 90
- Ventil
- 92
- Vorrichtungen
zum Beimischen
- 94
- erste
Wasserleitung
- 96
- Trinkbecher
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10100666
A1 [0003]
- - WO 2007/009752 A1 [0033]
- - DE 29600276 U1 [0033]