-
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.
-
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.
-
Aus der
10 2005 049 831 A1 ist ein Fahrzeugmotorsystem bekannt, bei dem Abwärme des Motors zur Stromerzeugung verwendet wird. Aus der
DE 31 28 081 A1 ist ein Fahrzeugmotorsystem be-kannt, bei dem der Motor einen Generator antreibt und bei dem die Abwärme des Generators zur Beheizung des Fahrgastraums verwendet wird.
-
Aus der
DE 36 15 375 A1 ist ein Wärmepumpensystem für Heizzwecke bekannt, bei dem Abwärme zur Enteisung eines Luftkollektors verwendet wird. Aus der
DE 298 21 067 U1 ist die Nutzung der Abwärme von Lampen im häuslichen Bereich beispielsweise zur Beheizung von Wasser bekannt.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist für den elektrischen Wandler eine Flüssigkühlung 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.
-
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.
-
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.
-
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:
-
1 eine Einrichtung zur Elektrolyse und Eindampfen der Elektrolyse-Produkte gemäß dem Stand der Technik,
-
2 die Einrichtung, ausgestaltet gemäß der Erfindung
-
3 Komponenten einer Kaltwalzanlage
-
4 Komponenten einer Hochspannungs-Gleichstromübertragung mir Meerwasserentsalzung
-
5 Komponenten einer Galvanikanlage.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 Emulsionsbädern 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.
-
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.
-
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 verwendet 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.
-
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.
-
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.
-
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.
