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Ein
zurzeit wichtiges technologisches Thema ist die mögliche Veränderung
des Klimas durch von Menschenhand produziertes Treibhausgas. Das
prominenteste Treibhausgas ist Kohlendioxid, das in der Atmosphäre blockierend
auf die von der Erde abgegebene Wärmestrahlung wirkt. Die Diskussion
um die Klimaveränderung
bewirkt einerseits eine politisch bestimmte Steigerung der Preise
von fossilen Rohstoffen und Strom. Zum anderen werden die gesetzlichen
Vorgaben vor allem für
die Emission von CO2 strenger. Daher besteht
eine wichtige Herausforderung für
alle technologischen Bereiche in der Suche nach Lösungen zur
Einsparung von Energie.
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Ein
Beispiel für
einen solchen Bereich ist eine industrielle Großanlage zur Elektrolyse von
Natriumchlorid, also Kochsalz. Die sog. Chloralkali-Elektrolyse
erzeugt die Grundchemikalien Chlor, Wasserstoff und Natronlauge.
Die chemische Reaktion dafür
ist endotherm und die benötigte
Energie wird über
elektrischen Gleichstrom zugeführt.
In der Folge ist oft erwünscht,
höhere
Konzentrationen der Produkte zu erreichen. Dafür wird in einem weiteren Schritt
ein Eindampfen durchgeführt,
beispielsweise über
eine Beheizung über
einen Brennofen.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren und
eine Anordnung anzugeben, bei denen für industrielle Prozesse, beispielsweise
aber nicht ausschließlich
den oben beschriebenen, eine Energieeinsparung bewirkt werden kann.
Direkt oder indirekt soll damit auch eine Reduktion der emittierten
Treibhausgase erreicht werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens besteht eine Lösung in dem Verfahren mit den
Merkmalen von Anspruch 8. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
weist einen elektrischen Wandler auf, der Abwärme erzeugt. Weiterhin weist
sie eine Prozesseinrichtung und eine Beheizungseinrichtung für die Prozesseinrichtung auf.
Sie ist derart ausgestaltet, dass die Abwärme der Beheizungseinrichtung
zugeführt
wird.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Beheizung in einer Prozesseinrichtung wird in einem elektrischen
Wandler Abwärme
erzeugt wird und die Abwärme
der Prozesseinrichtung zur Beheizung zugeführt wird.
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Der
elektrische Wandler kann beispielsweise eine elektrische Maschine
sein, beispielsweise ein Motor, aber auch ein Umrichter, Gleichrichter
oder Wechselrichter. Die Prozesseinrichtung kann beispielsweise
zur Durchführung
einer chemischen Reaktion oder eines physikalischen Vorgangs ausgestaltet
sein. Beispiele hierfür
sind die thermische Meerwasserentsalzung oder eine Eindampfanlage.
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Selbstverständlich ist
es auch im Rahmen der Erfindung, wenn mehrere einzelne elektrische Wandler,
auch unterschiedlichen Typs zum Einsatz kommen und/oder die Prozesseinrichtung
mehrere unterschiedliche Einzelschritte unterstützt, die alle oder nur teilweise
eine Beheizung erfordern.
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Durch
die Erfindung wird erreicht, dass ohnehin entstehende Abwärme vorteilhaft
für die
Beheizung der Prozesseinrichtung verwendet wird und somit insgesamt
Energie eingespart wird. Hierdurch wird entweder fossiler Brennstoff
eingespart, was direkt die Treibhausgas-Emissionen senkt oder elektrischer
Strom gespart, was indirekt ebenfalls für eine CO2-Reduktion
sorgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
ist für
den elektrischen Wandler eine Flüssigküh lung vorgesehen.
Diese ist vorteilhaft weiterhin zur Führung der Abwärme zur Beheizungseinrichtung
ausgestaltet. Die Flüssigkühlung sorgt
zum Einen für
eine effiziente Kühlung.
Sie ist ggfs. auch leiser als eine Lüfterkühlung. Weiterhin kann über die
Kühlflüssigkeit
die Abwärme
sehr gezielt zur Prozesseinrichtung geführt und dort zur Beheizung
verwendet werden. Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit besteht in der Verwendung
von Heatpipes zum Wärmetransport.
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Ein
konkretes Beispiel für
eine Anordnung gemäß der Erfindung
best darin, dass der elektrische Wandler ein Umrichter und/oder
ein Motor und die Prozesseinrichtung ein Emulsionsbad in einer Kaltwalzanlage
sind. In einem weiteren Beispiel ist der elektrische Wandler ein
Gleichrichter und die Prozesseinrichtung eine Eindampfanlage in
einer Elektrolyse-Anlage.
Gemäß einem
weiteren Beispiel sind der elektrische Wandler ein Gleichrichter
und/oder Wechselrichter und die Prozesseinrichtung eine Entsalzungsanlage
für Meerwasser.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
ist die Prozesseinrichtung derart an den elektrischen Wandler angepasst,
dass die Abwärme
vollständig
für die
Beheizung in der Prozesseinrichtung ausreichend ist. Anders gesagt, ersetzt
die zugeführte
Abwärme
vollständig
jegliche andere Beheizungsform, die ansonsten für die Prozesseinrichtung vorhanden
sein müsste.
Dies ist besonders einfach dann durchzuführen, wenn die Prozesseinrichtung
vom Zweck des elektrischen Wandlers entkoppelt ist, also beliebig
dimensionierbar. Aber auch bei industriellen Anlagen, bei denen
der Zweck des elektrischen Wandlers, beispielsweise die elektrische
Versorgung eines ersten Prozessschritts in Abhängigkeit von der Prozesseinrichtung
steht, ist eine entsprechende Dimensionierung vorteilhaft. Alternativ
kann die Abwärme
als zusätzliche
Wärmequelle
fungieren zu einer anderen Beheizungsform wie beispielsweise der
Verbrennung fossiler Brennstoffe oder einer elektrischen Heizung.
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Bevorzugte,
jedoch keinesfalls einschränkende
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung
ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und
gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Dabei sind
einander entsprechende Teile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 eine
Einrichtung zur Elektrolyse und Eindampfen der Elektrolyse-Produkte
gemäß dem Stand
der Technik,
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2 die
Einrichtung, ausgestaltet gemäß der Erfindung
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3 Komponenten
einer Kaltwalzanlage
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4 Komponenten
einer Hochspannungs-Gleichstromübertragung
mir Meerwasserentsalzung
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5 Komponenten
einer Galvanikanlage.
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Als
erstes Beispiel soll die bereits eingangs erwähnte Chloralkali-Elektrolyse
dienen. Bei dieser werden aus Kochsalz die Grundchemikalien Chlor, Wasserstoff
und Natronlauge erzeugt. Die chemische Reaktion dafür ist endotherm,
benötigt
also zugeführte
Energie 6 zur Aufrechterhaltung und die benötigte Energie
wird über
elektrischen Gleichstrom zugeführt.
Eine solche Anlage ist in den 1 und 2 stark
schematisiert und vereinfacht dargestellt. Dabei zeigt 1 die
Vorgehensweise gemäß dem Stand
der Technik, während
eine Ausgestaltung der Anlage gemäß der Erfindung in 2 dargestellt
ist. In beiden Fällen
wird ein Elektrolyse-Bad 1 über einen Gleichrichter 4 aus
einer Wechselstromversorgung 3 gespeist. In örtlicher
Nähe dazu
befindet sich die Einrichtung 2 zum Eindampfen der Produkte,
womit höhere
Konzentrationen der Produkte erreicht werden.
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Gemäß dem Stand
der Technik ist der Gleichrichter luftgekühlt, wozu unter Umständen Ventilatoren
nötig sind.
Die Abwärme 5 des
Gleichrichters geht ungenutzt in die Luft. Gleichzeitig benötigt die
Eindampfeinrichtung 2 zugeführte Heizenergie 6.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
für die
Erfindung nach 2 ist der Gleichrichter 4 nun
flüssigkeitsgekühlt, wobei
die Flüssigkühlung in
den Figuren nicht dargestellt ist. Hierdurch lässt sich zum Einen eine sehr
effiziente und ggfs. auch leise Kühlung erreichen. Zum anderen
kann die abgeführte
Abwärme 5 des
Gleichrichters 4 sehr gut transportiert werden. Die Abwärme 5 wird
nun, statt sie unverwertet abzugeben, zur Eindampfeinrichtung 2 geführt. Dort kann
die Abwärme 5 die
Beheizung unterstützen oder
unter Umständen
auch ersetzen. In 2 ist neben der Zuführung der
Abwärme 5 auch
weitere zugeführte
Heizleistung 6 dargestellt.
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Es
wird also eine Energieeinsparung erreicht, indem die Abwärme 5 des
Gleichrichters 4 für die
Aufheizung der Eindampfanlage 2 verwendet wird. Zusätzlich wird
auch noch Leistung gespart, da Kühlerventilatoren
für eine
Luftkühlung
ebenfalls entfallen. Da in diesem Fall Energie aus fossilen Brennstoffen
eingespart wird, wird direkt die Emission von Treibhausgasen reduziert.
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Komponenten
eines weiteren Ausführungsbeispiels
für die
Erfindung sind schematisch in 3 dargestellt.
In diesem Fall handelt es sich um eine Kaltwalzanlage. Diese weist
Motoren 8 für
einen Antrieb auf, die Abwärme 7 erzeugen.
Die Motoren 8 werden über
Umrichter 10 mit Strom versorgt. Die Umrichter 10 erzeugen
ebenfalls Abwärme 11.
In örtlicher
Nähe sind
Emulsionsbäder 9 vorhanden,
die auf 60 bis 80°C
aufgewärmt
werden müssen.
Im Stand der Technik werden die Motoren 8 und Umrichter 10 gewöhnlich luftgekühlt, was
sogar noch für
die Lüfter
zusätzliche
Energie verbraucht. Gleichzeitig werden die Emulsionsbäder 9 beheizt.
Dafür kommt im
Stand der Technik beispielsweise eine Elektroheizung oder Gasheizung
zum Einsatz.
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Gemäß der Erfindung
werden die Umrichter 10 für die Motoren 8 in
diesem Ausführungsbeispiel flüssiggekühlt. Die
so abgeführte
Abwärme 7, 11 wird verwendet,
um die Emulsionsbäder 9 zu
erwärmen. Dabei
wird die Abwärme 7, 11 beiden
Emulsionsbä dern
zugeführt.
Eine Temperaturregelung 12 steuert dabei die Zufuhr der
Abwärme 7, 11 und
der anderweitig nötigen
Heizleistung 6. Eine Abschätzung der in einer Anlage gemäß 3 anfallenden
Leistungen soll im Folgenden gegeben werden. Es wird von einer installierten
Motoren-Leistung von 20 MW ausgegangen. Die Effizienz der IGCT-Umrichter 10 beträgt 98%,
d. h. es entsteht hierin eine Verlustleistung von 2% von 20 MW 400
kW. Die Effizienz der Motoren 8 kann mit 97,5% abgeschätzt werden,
wodurch sich eine Verlustleistung von 500 kW ergibt. In Summe entsteht
also Abwärme 7, 11 von
etwa 900 kW.
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Die
Erwärmung
der Emulsionsbäder 9 benötigt in
diesem Beispiel eine Leistung von 1800 kW. Da die Abwärme 7, 11 aus
den Umrichtern 10 und Motoren 8 etwa die Hälfte der
Heizleistung beträgt,
können
bis zu 50% der benötigten
Heizenergie eingespart werden. Bei 6000 Betriebsstunden
in einem Jahr sind das 5400 MWh. Dies entspricht etwa der Energie,
die von 1000 Familien-Haushalten im Jahr benötigt wird.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
soll anhand der 3 erläutert werden. Hierbei entsteht
die betrachtete Abwärme 5 bei
einer Anlage 13 für
die Hochspannungs-Gleichstromübertragung,
nämlich
in den verwendeten Gleich- und Wechselrichtern 4. In 3 gezeigt
ist lediglich eine Seite der Anlage 13, in diesem Fall
lediglich mit einem Gleichrichter 4. Üblicherweise weisen solche
Anlagen 13 einen symmetrischen Aufbau auf, sodass der Gleichrichter 4 auf jeder
Seite so ausgestaltet ist, dass er bidirektional arbeiten kann,
also sowohl als Gleichrichter 4 als auch als Wechselrichter
betrieben werden kann. Gewöhnlich
kommen im Stand der Technik hier die gleichen Kühlungen wie bei den ersten
beiden Ausführungsbeispielen
zum Einsatz, nämlich
Lüfterkühlung. In
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Abwärme 5 aber über eine
Flüssigkeitskühlung abgeführt und verwendet,
um eine Anlage 14 zur thermischen Meerwasserentsalzung
zu betreiben. Dies ist besonders vorteilhaft, da Hochspannungs-Gleichstromübertragung
typischerweise bei der Übertragung
von elektrischer Leistung über
Gewässer
hinweg, also bei Seekabeln 23 verwen det wird, sodass eine
Meerwasserentsalzung in örtlicher
Nähe betrieben
werden kann. Da auch hier die Lüfterkühlung entfällt und
die Abwärme 5 für einen
energieaufwändigen
Prozess verwendet wird, wird wiederum die Emission von Treibhausgasen
verringert.
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Die
ersten beiden Ausführungsbeispiele
für die
Erfindung behandeln industrielle Anlagen, die üblicherweise in der beschriebenen
Form zusammenhängend
existieren und bei denen der Energieaufwand der jeweiligen Prozessschritte
durch das Zusammenwirken der Prozessschritte festgelegt sein kann.
Im Unterschied dazu ist die Meerwasserentsalzung von der Hochspannungs-Gleichstromübertragung
unabhängig.
Eine Anlage für
die Meerwasserentsalzung 14 im Zusammenhang mit der Hochspannungs-Gleichstromübertragung 13 kann
daher so dimensioniert werden, dass die Abwärme 5 der Hochspannungs-Gleichstromübertragung 13 vollständig ausreicht
für die
zur Entsalzung nötige
Beheizung. Es wird somit sogar der Aufbau der Entsalzungsanlage
vereinfacht, da auf eine anderweitige Beheizung vollständig verzichtet
werden kann.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
ist in 5 skizziert. Hierbei handelt es sich um eine Galavanik-Anlage 22,
beispielsweise für
die Verzinkung von Bauteilen. In der Anlage 22 durchlaufen
Bauteile zumindest sieben Prozessschritte, nämlich das Heißentfetten 15,
elektrisches Entfetten 16, Beizen und Dekapieren 17, 18,
einen Galvanisierschritt 19, einen Chromatierschritt 20 und
das Trocknen 21. Die ersten drei Schritte 15, 16, 17 sowie
das Trocknen 21 benötigen
hierbei zugeführte
Heizenergie 6. Andererseits wird beim elektrischen Entfetten 16 sowie
beim eigentlichen Galvanisieren 19 Gleichstrom zugeführt, der über einen
Gleichrichter 4 aus einer Wechselstromversorgung 3 entnommen
wird. Der oder die Gleichrichter 4 erzeugen dabei in üblicher
Weise Abwärme 5.
Diese wird in diesem Ausführungsbeispiel auf
die Prozessschritte 15, 16, 17, 21 verteilt,
die eine Beheizung erfordern, um hiermit wiederum Energie bei der
Beheizung einzusparen.
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Abweichend
von der in der 5 dargestellten Vorgehensweise
ist es auch möglich,
die Abwärme 5 lediglich
einem Teil der Prozessschritte 15, 16, 17, 21 zuzuführen, bei
denen eine Beheizung nötig ist.
Hierdurch kann bei ausreichender Abwärme 5 zusätzlich zum
Energiegewinn möglicherweise
der Aufbau der Anlage 22 vereinfacht werden, indem bei
diesem oder diesen Prozessschritten 15, 16, 17, 21 die anderweitige
Beheizung ganz entfallen kann. Beispielhaft sei hier davon ausgegangen,
dass der oder die Gleichrichter 4 einen Wirkungsgrad von
85% haben. Für
das elektrische Entfetten 16 wird eine elektrische Leistung
von 150 kW verwendet, wovon 22,5 kW als Abwärme 5 anfallen. Für das Galvanisieren 19 wird
eine elektrische Leistung von 900 kW verwendet, wovon 135 kW als
Abwärme 5 anfallen.
Es stehen in diesem Beispiel also insgesamt mehr als 150 kW an Heizleistung
zur Verfügung,
die in geeigneter Weise auf die entsprechenden Prozessschritte 15, 16, 17, 21 aufteilbar
sind.