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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von in einem Energieverteilungsnetz zur Verfügung stehender Energie in einem Speichermedium.
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Energie, also Strom, wird heutzutage auf unterschiedlichste Weise erzeugt. Zu nennen sind Kraftwerke, seien es Atomkraftwerke, Kohlekraftwerke oder Gaskraftwerke, wie auch regenerative Energieerzeugungsquellen, wie beispielsweise Solaranlagen oder Windkraftanlagen etc. Der erzeugte Strom wird in ein Energieverteilungsnetz eingespeist, wo er von Verbrauchern entnommen wird. Die Entnahmemenge ist jedoch, gesehen über den Tag, nicht konstant. So ist morgens ein starker Anstieg zu verzeichnen, wenn insbesondere die privaten Haushalte viel Energie verbrauchen, wonach der Verbrauch etwas absinkt, um zum Abend hin erneut anzusteigen, wonach er über die Nacht hin erneut etwas abnimmt. Das heißt, dass sich über den Tag verteilt mehrere Starklastbereiche und mehrere Schwachlastbereiche identifizieren lassen. Um in Schwachlastzeiten nicht unnötig Strom zu erzeugen respektive in das Netz einzuspeisen ist es bekannt, die Leistung von Kraftwerken gegebenenfalls temporär etwas zurückzufahren. Gleichwohl ist häufig noch ein beachtlicher Energieüberschuss gegeben, der ungenutzt bleibt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn in der Energiegesamtbilanz der Beitrag der regenerativen Energiequellen berücksichtigt wird. Denn diese arbeiten üblicherweise nicht regelmäßig. Solaranlagen erzeugen nur Strom respektive speisen diesen ins Netz ein, wenn die Sonne ausreichend scheint, was ohnehin nur tagsüber der Fall ist. Windkraftanlagen erzeugen nur dann Strom, wenn ausreichend Wind bläst, was zu unterschiedlichsten Zeiten während des Tages und der Nacht der Fall sein kann. Das heißt, dass die Beiträge aus regenerativen Energiequellen stark schwanken, mithin aber ebenfalls einen beachtlichen Überschuss bilden können.
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Es ist bekannt, diesen Energieüberschuss durch Wärmespeicher zwischenzuspeichern. Wärme lässt sich beispielsweise in Wasserspeichern (Niedertemperaturwärme) oder in Betonspeichern (Mittel- und Hochtemperaturwärme) gut speichern. Die in Form der Wärme gespeicherten Energie wird aus diesen Speichern bei Bedarf abgezogen, indem die Wärme entweder direkt genutzt wird, oder zum Betrieb anderer Gerätschaften konvertiert wird.
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Jedoch ist die Speicherung der Energie in Form von Wärme nicht immer das geeignete Mittel, insbesondere dann nicht, wenn es gilt, Kühlvorrichtungen zu betreiben, da dann erst quasi eine Konvertierung der Wärme in Kälte erfolgen muss.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das auf vereinfachte Weise eine Energiezwischenspeicherung und nachgeschaltete Nutzung der gespeicherten Energie zu Kühlzwecken ermöglicht.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von in einem Energieverteilungsnetz zur Verfügung stehender Energie in einem Speichermedium vorgesehen, das sich dadurch auszeichnet, dass innerhalb eines Zeitintervalls, in dem das Verhältnis von zur Verfügung stehender Energie zu entnommener Energie einen, einen Überschuss an zur Verfügung stehender Energie anzeigenden, Wert besitzt, zumindest ein Teil der überschüssigen Energie zum Betrieb wenigstens einer ein Gas in den flüssigen oder festen Zustand überführenden Vorrichtung verwendet wird, wonach das verflüssigte oder verfestigte Gas in einem diesen Zustand bewahrenden Speichermittel gespeichert wird, wobei zur Kühlung von Umgebungsluft oder eines Prozesses das verflüssigte oder verfestigte Gas zur Rückgewinnung der phasenwechselbedingt gespeicherten Energie einem erneuten Phasenwechsel in die Gasphase unterworfen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Speicherung von überschüssiger Energie durch Erwirkung eines Phasenwechsels eines Gases, indem dieses über eine geeignete Vorrichtung, üblicherweise einen Kompressor, aus der Gasphase entweder in die flüssige Phase oder in die feste Phase überführt wird, was mit einer extremen Abkühlung des verflüssigten oder verfestigten Gases verbunden ist. Hierzu wird eine entsprechende Vorrichtung, wie der besagte Kompressor, verwendet. Diese wird jedoch nur in bestimmten Zeiten betrieben, wenn eben ein hinreichender Energie-, also Stromüberschuss gegeben ist, der zwischengespeichert werden soll. Dies können, wenn nur konstant respektive definierte Mengen liefernde Energiequellen berücksichtigt werden, die Zeitintervalle sein, in denen wenig Energie entnommen wird, also die Schwachlastzeiten, da dann in der Regel ein beachtlicher Überschuss gegeben ist. Das heißt, dass letztlich konstante Betriebszeiten für die Vorrichtung zur Verflüssigung oder Verfestigung gegeben wären. Denkbar ist es aber auch, wenn zusätzlich regenerative Energiequellen berücksichtigt werden, die zu temporären, nicht vorhersagbaren Energieüberschüssen führen, den Vorrichtungsbetrieb auch insoweit variabel zu gestalten.
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In jedem Fall wird die überschüssige Energie zum Betrieb des Kompressors genutzt, der seinerseits das Gas verflüssigt oder verfestigt, wobei über diesen Phasenwechsel die Energie in Form des extrem abgekühlten, verflüssigten oder verfestigten Gases in Form von Kälte gespeichert wird.
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Das verflüssigte oder verfestigte Gas wird sodann einem Speichermittel zugeführt, in dem es gespeichert wird, das heißt, dass sein phasengewechselter Zustand aufrecht erhalten wird, weshalb das Speichermittel entsprechend ausgelegt ist. Die Rückgewinnung der gespeicherten Energie geschieht dadurch, dass die gespeicherte Energie zur Kühlung genutzt wird, nachdem die Energie ohnehin in Form von Kälte gespeichert ist. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass unter erneutem Phasenwechsel, mithin also erneutem Übergang von flüssig zu gasförmig respektive fest zu gasförmig, die Kühlung von Umgebungsluft oder eines anderen, definierten Prozesses oder Vorgangs bzw. von Prozessmitteln vorgenommen wird, entweder, indem das verflüssigte Gas unter erneutem Übergang in die Gasphase direkt in einen zu kühlenden Raum geführt wird, dabei die Umgebungsluft kühlend, oder indem Umgebungsluft angesaugt wird und mit dem verfestigten Gas in Kontakt kommt, das dabei in die Gasphase übergeht, die vorbeistreichende Umgebungsluft kühlend, die sodann einem zu kühlenden Raum oder Prozess zugeführt wird. Das heißt, dass letztlich die gespeicherte Kälte auch tatsächlich zu Kühlzwecken, also zur Erzeugung von Kälte in einem Raum oder Prozess, genutzt wird. Bei einem solchen Prozess kann es sich um einen beliebigen, zumeist industriellen Prozess, also Arbeitsvorgang handeln, bei dem Kälte benötigt wird. Nur beispielhaft ist die Lebensmittelindustrie zu nennen, wo Kälte im Rahmen der Lebensmittelherstellung benötigt wird. Die Kälte kann dabei an ein in den Prozess integriertes Kühlelement abgegeben werden, z. B. um das zu behandelnde Gut direkt zu kühlen, oder um Prozessmittel, die im Rahmen des Prozesses benötigt oder bearbeitet werden, zu kühlen. Der Begriff „Prozess“ umfasst auch nur einen einzelnen Prozessschritt, also Arbeitsvorgang innerhalb einer Kette von nacheinander ablaufenden Prozessschritten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt also eine sehr effiziente Energiespeicherung in Form von Kälte wie auch Nutzung der in Form von Kälte gespeicherten Energie zu Kühlzwecken zu, was es ermöglicht, dem weltweit gestiegenen und immer weiter steigenden Bedarf nach Kühlung, sowohl im industriellen als auch im privaten Umfeld, Rechnung zu tragen.
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Gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung kann zur Kühlung der Umgebungsluft das verflüssigte Gas aus dem Speichermittel abgezogen und nach seinem Wechsel in die Gasphase einem die Umgebungsluft enthaltenden Raum zugeführt werden. Das heißt, dass verflüssigtes Gas über eine geeignete Pumpe aus dem Speicher, der sich beispielsweise samt dem Kompressor im Keller eines Gebäudes befindet, wobei der Kompressor selbstverständlich am Energieverteilungsnetz hängt, abgepumpt wird und über eine Leitung einem entsprechenden in einem Raum befindlichen Kühlelement zugeführt wird. Während des Transports respektive spätestens im Kühlelement selbst findet der Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig statt, das heißt, dass das dann vorliegende Gas, das nach wie vor sehr kalt ist, nachdem der Phasenübergang von flüssig zu fest bei verwendbaren Gasen bei Temperaturen weit unter Null Grad liegt, in den zu kühlenden Raum, dabei die Umgebungsluft kühlend, austritt.
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Gemäß einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung wird als Gas Raumluft verwendet. Die Vorrichtung zur Verflüssigung ist eine solche, die Raumluft verflüssigt. Die Raumluft wird angesaugt und über die Vorrichtung, also den Kompressor, in an sich bekannter Weise entsprechend verflüssigt und in einem nachgeschalteten Speicher, beispielsweise einem geeigneten und hinreichend groß dimensionierten Dewar-Behälter, zwischengespeichert. Luft verflüssigt sich ab ca. –170 °C, die Verflüssigung kann beispielsweise nach dem Linde-Verfahren erfolgen. Mit dem erneuten Übergang in die Gasphase ist die Luft folglich ähnlich kalt, so dass sie hervorragend zu Kühlzwecken genutzt werden kann, wobei natürlich sicherzustellen ist, dass – nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen – die Kühlung so erfolgt, dass es nicht zu extremen Unterkühlungen etc. kommt. Selbstverständlich ist die dem Speicher nachgeschaltete Peripherie derart ausgelegt, dass diesbezügliche Risiken vermieden werden, mithin also eine Anpassung an die zu kühlende Umgebung respektive den Kühlzweck (Raumkühlung, in dem sich Personen aufhalten, oder Kühlung von Gefrierräumen etc.) gegeben ist. In jedem Fall ist die Verflüssigung von Raumluft besonders zweckmäßig, da Raumluft natürlich unbegrenzt zur Verfügung steht, weshalb die Integration von Luftverflüssigungsvorrichtungen erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist.
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Wie beschrieben umfasst die Vorrichtung zur Verflüssigung einen Kompressor, dem das Speichermittel zugeordnet ist, aus dem das verflüssigte Gas abgezogen und, dabei gegebenenfalls bereits eine Phase erneut wechselnd, über eine isolierte Leitung einem in einem Raum angeordneten oder einem Prozess oder Vorgang zugeordneten Kühlelement zugeführt wird, wobei das Gas als solches in den zu kühlenden Raum oder Prozess, dabei die Umgebungsluft kühlend, austritt. Dabei kann aus dem der Luftverflüssigungsvorrichtung zugeordneten Speichermittel nur ein in einem Raum angeordnetes oder einem Prozess zugeordnetes Kühlelement bedient werden, alternativ dazu können hier- über natürlich auch mehrere in einem Raum vorgesehene oder einem Prozess integrierte Kühlelemente, also quasi ein Kühlelementnetz, versorgt werden, wie natürlich auch mehrere in verschiedenen Räumen verteilt angeordnete oder in verschiedenen Prozessschritten integrierte Kühlelemente über das gemeinsame Speichermittel bedient werden können. Gegebenenfalls sind hierzu entsprechende schaltbare Ventile, die beispielsweise über eine zentrale Steuerung, die die Klimatisierung vornimmt, angesteuert werden, um bedarfsabhängig und lokal die gewünschte Kühlung zu erwirken.
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Eine alternative Ausbildung des Verfahrens zur soeben beschriebenen Abförderung des verflüssigten Gases zum Kühlelement sieht vor, zur Kühlung der Umgebungsluft diese dem verfestigten Gas zuzuführen, das währenddessen die Phase wechselt. Da sich das verfestigte Gas, das vornehmlich bei dieser Erfindungsausgestaltung in Form von Kohlendioxid verwendet wird, schwer transportieren lässt, ist bei dieser Erfindungsausgestaltung vorgesehen, die Umgebungsluft in geeigneter Weise anzusaugen und dem verfestigten Gas im Speicher zuzuführen, es also an einem Wärmetauscher oder dergleichen oder unmittelbar darüber streichen zu lassen, so dass es abkühlt. Das verfestigte Gas wechselt während dieses Wärmeaustausches seine Phase, geht also wiederum in die Gasphase über. Die auf diese Weise gekühlte Umgebungsluft kann sodann über eine geeignete Leitung einem zu kühlenden Raum oder über mehrere Leitungen mehreren zu kühlenden Räumen zugeführt werden, wobei auch dies gegebenenfalls wiederum über entsprechende Ventile über eine zentrale, die Klimatisierung regelnde Steuerung gesteuert werden kann.
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Wird, wie bevorzugt, Kohlendioxid als zu verfestigendes und über den Kompressor zu Trockeneis gewandeltes Gas verwendet, so ist auch hier sichergestellt, dass die hierüber abgekühlte Umgebungsluft sehr kalt ist. Unter Normalbedingungen sublimiert Trockeneis bei ca. –78,5 °C und geht direkt in die Gasphase über, ohne vorher zu schmelzen. Das heißt, dass die gekühlte Umgebungsluft in einem ähnlichen Temperaturbereich liegt.
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Wenn Kohlendioxid als Gas verwendet wird, so ist dieses zweckmäßigerweise in einem geschlossenen Kreislauf enthalten, in dem als Vorrichtung zur Verflüssigung wiederum ein Kompressor und das Speichermittel integriert ist, sowie ein entsprechender Wärmetauscher, dem die Umgebungsluft zugeführt wird. Dieser Wärmetauscher kann direkt am Speichermittel integriert sein, in der einfachsten Form sogar derart, dass die Umgebungsluft eben direkt in das Speichermittel gezogen wird und über das freiliegende, im Speichermittel befindliche Trockeneis streicht, wobei es abgekühlt wird.
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Wie bereits einleitend beschrieben, sind, je nachdem, ob nun nur die in ihrer Erzeugungsleistung bekannten und prognostizierbaren Energiequellen wie Kraftwerke berücksichtigt werden, oder ob zusätzlich die in ihrer Erzeugungsleistung quasi unberechenbaren regenerativen Energiequellen berücksichtigt werden, unterschiedliche Betriebsszenarien denkbar. Wird nur auf die als bekannt vorausgesetzte Energiemenge und die bekannten Schwach- und Starklastzeiten abgestellt, so besteht die Möglichkeit, jede Kühleinrichtung umfassend die Verflüssigungs- oder Verfestigungsvorrichtung mit nachgeschalteter Peripherie quasi autark zu steuern. Sie hängt lediglich am Energieverteilungsnetz, wird jedoch über eine eigene Steuerung gemäß beispielsweise einem entsprechenden Zeitschema, das die Starklast- und Schwachlastzeiten abbildet, gesteuert.
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Werden jedoch die regenerativen Energien berücksichtigt, die zu beliebigen, nicht vorhersagbaren Zeiten überschüssige Energie liefern können, so ist eine solche, einem festgelegten Zeitschema folgende Steuerung problematisch, da diese überschüssigen Energiemengen schwerlich zu berücksichtigen sind. Zu diesem Zweck sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass mehrere Vorrichtungen zur Verflüssigung oder Verfestigung in ein Kommunikationsnetzwerk, sei es drahtgebunden oder drahtlos, eingebunden sind, das ferner eine Steuerungseinrichtung enthält, die den Betrieb der Vorrichtung steuert. Hier ist also eine zentrale Steuerung vorgesehen, die kontinuierlich die aktuelle Überschussenergie, also den überschüssig vorhandenen Strom ermittelt und damit den Betriebszeitpunkt bestimmt, wenn der Kompressor arbeiten soll, da eben, unabhängig davon, aus welcher Energiequelle der überschüssige Strom nun stammt, in jedem Fall genügend Überschussenergie gegeben ist. Das heißt, dass hierüber auch der nicht prognostizierbare Beitrag regenerativer Energiequellen abgebildet werden kann, wobei die Kompressoren nur dann zugeschaltet und betrieben werden, wenn eben ein entsprechender Zeitpunkt gegeben ist, der letztlich beliebig liegen kann. Hierbei wird natürlich auch die jeweilige Entnahmephase, also Starklast oder Schwachlast, berücksichtigt. Die Kommunikation kann wie gesagt drahtgebunden erfolgen, beispielsweise über Kommunikationsleitungen oder das Stromnetz selbst, wie natürlich auch drahtlos über entsprechende Übertragungsmittel wie Funk und Ähnliches.
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Weiterhin kann die Steuerung der Aktivierung der z. B. Gasverflüssigungs- und damit Kühleinheit über ein Preissignal erfolgen. Sie richtet sich dann nach dem Unterschreiten eines fest definierten Preises (z. B. Bezugspreis oder Bereitstellungspreis für Energie) oder einem variabel dem Füllstand des Kühlreservoirs angepassten Preissignal (z. B. je höher der Füllstand, desto geringer der Einschaltpreis, oder komplexeren, auf Vorhersagen basierenden Preismodellen). Diese Preissteuerung kann im Speziellen in einer übergeordneten Steuerung mittels des in
WO 2009/040140 A1 beschriebenen agentenbasierten Handelsmechanismus erfolgen. Der Offenbarungsinhalt dieser Schrift wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Kühleinrichtung, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens, welche in einem Gebäude installiert ist, umfassend wenigstens eine Vorrichtung zur Verflüssigung oder Verfestigung eines gasförmigen Kühlmittels, einen der Vorrichtung nachgeschalteten Speicher zum Zwischenspeichern des verflüssigten oder verfestigten Kühlmittels, sowie wenigstens ein in einem zu kühlenden Raum oder Prozess installiertes Kühlelement, das entweder mit dem Speicher über eine Leitung verbunden ist, über die das verflüssigte Kühlmittel mittels einer Pumpe vom Speicher zum Kühlelement, dabei seine Phase wechseln, geführt wird, oder dem über eine Leitung Luft, die an einem dem Speicher zugeordneten Wärmetauscher mittels des verfestigten Kühlmittels, das dabei seine Phase wechselt, gekühlt wird, zugeführt wird.
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Als Verflüssigungs- oder Verfestigungsvorrichtung wird zweckmäßigerweise ein Kompressor nebst zugeordneten Peripheriekomponenten verwendet.
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Über den Speicher können in Weiterbildung der Erfindung mehrere in einem oder verschiedenen Räumen angeordnete oder in einem oder mehreren Prozessen oder Prozessschritten verwendete Kühlelemente versorgt werden, je nach Auslegung der Kühleinrichtung im Hinblick auf das zu kühlende Objekt. Ein solches kann beispielsweise ein größeres Gebäude sein, in dem mehrere Räume vorhanden sind, die gekühlt werden müssen, sei es zur allgemeinen Raumklimatisierung, weil sich Personen in den Räumen aufhalten, sei es, weil es sich dabei um Kühlräume beispielsweise für Computer, Lebensmittel und Ähnliches oder um Gefrierräume für Tiefkühlgut handelt. Auch kann es sich um große Industriehallen handeln und Ähnliches.
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Ebenso kann es sich bei dem Prozess um einen Industrieprozess handeln, z. B. in der Lebensmittelindustrie in der Herstellung von Kühlgut wie Eis, gefriergetrockneten Lebensmitteln etc. Weiterhin kann es sich ebenso um einen chemischen oder industriellen Prozess handeln, der den Einsatz von Kälte erfordert. Dabei kann auch ein kontinuierlicher Einsatz von Kälte nötig sein, der durch die Dimensionierung des Kältereservoirs auch bei diskontinuierlicher netzseitiger Energieeinspeisung bzw. -verfügbarkeit sichergestellt wird.
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Die Kühleinrichtung kann insoweit als autarkes System ausgelegt sein, umfassend eine Steuerungseinrichtung, die die Vorrichtung derart steuert, dass sie nur innerhalb eines Zeitintervalls, in dem das Verhältnis von erzeugter und zur Verfügung stehender Energie zu entnommener Energie einen, einen Überschuss an zur Verfügung stehender Energie anzeigenden, Wert besitzt, arbeitet. Weiterhin ist die Steuerung über ein Preissignal möglich, wie oben beschrieben. Das heißt, dass beispielsweise der Kompressor eben nur dann zugeschaltet wird, wenn ein Energieüberschuss gegeben ist. Dies ist zumindest in sich konstant ausbildenden Schwachlastzeiten, also wenn relativ wenig Strom entnommen wird, gegeben, die sich in einem eigentlich festen Schema mit Starklastzeiten, wo viel Strom entnommen wird, abwechseln. Das heißt, dass ein festes, bekanntes zeitliches Steuerschema zugrunde gelegt ist, dem die autarke Kühleinrichtung folgt.
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Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, ein Kommunikationsnetzwerk vorzusehen, in das die Kühleinrichtung insoweit integriert ist, und über eine zentrale Steuerungseinrichtung über das Kommunikationsnetzwerk der Betrieb mehrerer, letztlich einer beliebigen Vielzahl von Verflüssigungs- oder Verfestigungsvorrichtungen gesteuert wird. Diese zentrale Steuerungseinrichtung kann beispielsweise kontinuierlich überwachen, wie viel Energie momentan zur Verfügung steht, und wie die Entnahmesituation ist. Ergibt sich zu letztlich beliebigen Tages- und Nachtzeiten ein hinreichender Energieüberschuss, kann die oder können gezielt bestimmte Vorrichtungen über das Kommunikationsnetzwerk angesteuert werden, um zu arbeiten. Über diese Erfindungsausgestaltung kann also auch der stets volatile, also nicht vorhersehbare Eintrag regenerativer Energiequellen wie Wind- oder Solaranlagen berücksichtigt werden, wenn die zentrale Steuerungseinrichtung kontinuierlich den Ist-Energiezustand und den Ist-Entnahmezustand erfasst und vergleicht. Ein Spezialfall dessen ist die Steuerung übe ein Preissignal in einem entsprechenden System.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung einer ersten Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Prinzipdarstellung der Integration mehrerer erfindungsgemäßer Kühleinrichtungen in ein Kommunikationsnetzwerk mit zentraler Steuerungseinrichtung, und
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3 eine Prinzipdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Kühleinrichtung zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung 1, umfassend eine Vorrichtung 2, die im gezeigten Ausführungsbeispiel zur Verflüssigung von Raumluft dient. Diese Vorrichtung 2 umfasst einen Kompressor 3, der, wie durch den Pfeil P dargestellt ist, Raumluft ansaugt, diese in an sich bekannter Weise z. B. über das Linde-Verfahren verflüssigt und abgibt. Gesteuert wird über eine der Vorrichtung 2 zugehörige Steuerungseinrichtung 4, im gezeigten Beispiel gemäß einem fest vorgegebenen zeitlichen Steuerschema 5, das Starklast- und Schwachlastzeiten ermittelt bzw. kennt und beispielsweise den Kompressor 3 stets dann ansteuert und die Verflüssigung einleitet, wenn eine Schwachlastzeit gegeben ist, mithin also wenig Strom entnommen wird und demzufolge viel Strom im zugeordneten Energieverteilungsnetz 6 vorhanden ist.
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Dem Kompressor 3 nachgeschaltet ist ferner ein Speichermittel 7, im gezeigten Beispiel ein Dewar-Behälter 8, dem die verflüssigte Raumluft zur Zwischenspeicherung zugeführt wird. Mittels dieser verflüssigten Luft kann beispielsweise die Kühlung eines Raumes 9 in einem Gebäude 10 vorgenommen werden, bei dem es sich beispielsweise um ein Kühlhaus handelt. In diesem ist ein Kühlelement 11 angeordnet, das über eine isolierte Leitung 12 mit dem Speichermittel 7 in Verbindung steht. Die Vorrichtung 2 und das Speichermittel 7 befinden sich üblicherweise im Keller des Gebäudes, sie sind hier nur aus Übersichtlichkeitsgründen separat gezeichnet. Ebenso kann hier alternativ zum in einem Raum angeordneten Kühlelement ein in einem Arbeitsprozess integriertes Kühlelement mit Kälte beschickt werden.
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Über eine Pumpe 13 wird über die Leitung 12 das verflüssigte Gas aus dem Speichermittel 7 abgepumpt und dem Kühlelement 11, das beispielsweise als segmentierter, großer Flächenkühler ausgeführt ist, zugeführt. Dieses Kühlelement 11 weist eine Vielzahl von Öffnungen auf, aus denen das Gas, das nunmehr erneut seine Phase gewechselt hat und in Gasform vorliegt, in den Raum 9 austritt, dabei die darin befindliche Umgebungsluft kühlend. Der Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig kann entweder bereits in der Leitung selbst, also auf dem Pumpweg erfolgen, oder aber erst im Kühlelement 11 unmittelbar vor dem Austritt.
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Der Kompressor 3 ist zur Verflüssigung von Raumluft ausgelegt, die unbegrenzt zur Verfügung steht. Das heißt, dass die Vorrichtung 2 also zu jedem Zeitpunkt betrieben werden kann, der geeignet ist, um einen momentan gegebenen, hinreichenden Energieüberschuss in Form von Kälte, eben der verflüssigten Raumluft, im Speichermittel 7 zwischenzuspeichern. Aus diesem kann es wiederum zu einem beliebigen Zeitpunkt abgepumpt werden, der über eine Steuerungseinrichtung 14, über die die Pumpe 13 gesteuert wird, bestimmt werden kann, beispielsweise indem die hierüber gebildete Klimatisierungseinrichtung manuell oder automatisch zugeschaltet wird etc., eben wenn eine Kühlung des Raumes 9 erforderlich ist.
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2 zeigt eine weitere Ausbaustufe umfassend mehrere Kühleinrichtungen 1 der zuvor beschriebenen Art. Die in 2 gezeigte obere Kühleinrichtung 1 umfasst wiederum die Vorrichtung 2 in Form des Kompressors 3 mit zugeordnetem Speichermittel 7, z. B. in Form des Dewar-Behälters 8 ist hier über die Leitung 12 mit mehreren Kühlelementen 11a, 11b, 11c, 11d verbunden, die unterschiedlichen Räumen 9a, 9b, 9c, 9d (oder Prozessen oder Prozessschritten) zugeordnet sind. Das heißt, dass sich die Leitung 12 entsprechend verzweigt. Über die Pumpe 13 nebst Steuerungseinrichtung 14, also beispielsweise die Klimatisierungszentrale, werden die einzelnen Kühlelemente 11a–11d versorgt, wobei die Versorgung individuell gesteuert wird, wozu entsprechende, hier nicht näher gezeigte Ventile über die Steuerungseinrichtung 14 angesteuert werden, um die entsprechenden Zuleitungen zu öffnen und zu schließen.
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Demgegenüber ist die darunter befindliche Kühleinrichtung 1, ebenfalls umfassend die Vorrichtung 2 in Form des Kompressors 3 mit zugeordnetem Speichermittel 7 in Form eines Dewar-Gefäßes 8, nur einem Kühlelement 11 zugeordnet, ähnlich wie bezüglich 1 beschrieben, das wiederum über eine Leitung 12 mit dem Speichermittel 7 verbunden ist und über eine Pumpe 13 nebst Steuerungseinrichtung 14 versorgt wird.
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Die jeweiligen Vorrichtungen 2 – und es können eine beliebige Vielzahl solcher Vorrichtungen 2 in das gezeigte System eingebunden werden – sind mit einem Kommunikationsnetzwerk 15 verbunden, das drahtlos oder drahtgebunden, z. B. über eine Stromleitung, sein kann. In dieses Kommunikationsnetzwerk ist ferner eine zentrale Steuerungseinrichtung 16 eingebunden, die den Betrieb sämtlicher Vorrichtungen 2, also den Betrieb der jeweiligen Kompressoren 3, steuert. Die Steuerungseinrichtung 16 erhält Informationen aus einem Energieverteilungsnetz 17, in das der erzeugte Strom, sei es Strom, der aus Kraftwerken stammt, sei es Strom, der aus regenerativen Energiequellen wie Wind- und Solaranlagen stammt, eingespeist wird. Die Steuerungseinrichtung 16 ist also stets darüber informiert, wie viel Strom momentan im Energieverteilungsnetz zur Verfügung steht und erhält gegebenenfalls auch kontinuierliche Ist-Informationen darüber, wie die momentane Entnahmesituation ist, mithin also, ob gerade eine Starklast- oder eine Schwachlastphase gegeben ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, vielmehr können auch vorbekannte Erfahrungswerte hinsichtlich der zeitlichen, über den Tag verteilten Entnahmesituationen zugrunde gelegt werden. Ebenso kann die Steuerung über ein Preissignal einer übergeordneten Einheit erfolgen.
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In jedem Fall ist die Steuerungseinrichtung 16 in der Lage, einen Verhältniswert zu ermitteln, der aus momentan zur Verfügung stehender Energie und momentan entnommener Energie definiert wird, mithin also zu bestimmen, ob ein hinreichender Energie-, also Stromüberschuss gegeben ist. Ist ein solcher gegeben, kann die Steuerungseinrichtung 16 jede in das Kommunikationsnetzwerk 15 eingebundene Vorrichtung 2 ansteuern und so den Verflüssigungsbetrieb veranlassen. Nachdem die Steuerungseinrichtung 16 kontinuierlich den Ist-Energiezustand berücksichtigt, können also auch die Zusatzbeiträge regenerativer Energiequellen, die insoweit nicht vorhersagbar sind, zur Überschussermittlung berücksichtigt werden.
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Die Vorrichtungen 2 verflüssigen die jeweils angesaugte Raumluft, sofern dies, nicht zuletzt im Hinblick auf den Füllstand des Speichermittels 7, momentan erforderlich ist, um die Energie zwischenzuspeichern.
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3 zeigt schließlich eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Kühleinrichtung 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Vorgesehen ist wiederum eine Vorrichtung 2, die hier jedoch der Verfestigung eines gasförmigen Kühlmittels dient. Die Vorrichtung 2 umfasst wiederum einen Kompressor 3, der in einen Kühlmittelkreislauf 18 eingebunden ist, der über geeignete Rohrleitungen gebildet ist. In den Kühlmittelkreislauf 18 ist ferner ein Speichermittel 7, z. B. wiederum ein Dewar-Behältnis 8, eingebunden, wie auch eine Pumpe 19, die das sonst gasförmig vorliegende Kühlmittel fördert. Das Kühlmittel ist im gezeigten Ausführungsbeispiel Kohlendioxid, das in gasförmiger Form vorliegt, jedoch über den Kompressor 3 verfestigt wird und über eine geeignete Zuführeinrichtung über den Kreislauf in das Speichermittel 7 gebracht wird.
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Die Steuerung der Vorrichtung 2 erfolgt wiederum über eine vorrichtungseigene Steuerungseinrichtung 4, beispielsweise unter Zugrundelegung des hier nur gestrichelt gezeichneten Steuerschemas 5. Dieses ist deshalb gestrichelt gezeichnet, als natürlich auch, wie ebenfalls gestrichelt gezeichnet ist, die Integration in ein Kommunikationsnetzwerk 15 gegeben sein kann, so dass sich insgesamt ein beliebig ausbaubares System entsprechend 2 ergibt, lediglich mit dem Unterschied, dass hier eine Verfestigung statt einer Verflüssigung in Verbindung mit einem Kühlmittelkreislauf der jeweiligen Kühleinrichtung 1 erfolgt. In das System können aber auch beide Vorrichtungstypen integriert werden.
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Dem Speichermittel 7 zugeordnet ist ein Wärmetauscher 20, dem eine Pumpe 21 vorgeschaltet ist, über die, wie durch den Pfeil P angedeutet ist, Umgebungsluft angesaugt wird und in den Wärmetauscher 20 geführt wird. Dieser ist mit dem Speichermittel 7 respektive dem darin befindlichen, verfestigten Kohlendioxid insoweit verbunden, als ein Wärmeaustausch zwischen dem verfestigten Kohlendioxid und der angesaugten Umgebungsluft erfolgen kann, so dass diese gekühlt wird. Hierbei geht das verfestigte Kohlendioxid wieder in die Gasphase über und wird über den Kreislauf 18 respektive die Pumpe 19 wieder umgepumpt, sofern dies erforderlich ist. Der Wärmetauscher 20 kann dabei in einfachster Ausgestaltung sogar so sein, dass letztlich ein unmittelbarer Kontakt zwischen der angesaugten Umgebungsluft und dem verfestigten Kohlendioxid gegeben ist, das heißt, dass die Luft über die Kohlendioxidfläche streicht, sich hierbei abkühlt und über die Leitung 12 abgeführt und wieder einem Kühlelement 11 zugeführt wird, wo die gekühlte Luft wiederum in den zu kühlenden Raum austritt. Selbstverständlich können hierüber auch wieder mehrere Kühlelemente 11 versorgt werden. Auch andere, quasi indirekt arbeitende Wärmetauscher mit entsprechenden Wärmeaustauschflächen sind verwendbar. Das feste Kohlendioxid verdampft und wird als Gas im Kreislauf umgefördert.
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Auch hier erfolgt der Betrieb der Vorrichtung 2 selbstverständlich nur dann, wenn ein hinreichender Stromüberschuss gegeben ist, sei es, dass ein solcher als gegeben vorausgesetzt wird, wenn die Steuerung anhand des festgelegten Steuerschemas 5 erfolgt, sei es, dass die Ist-Situation über die zentrale Steuerungseinrichtung 16 ermittelt wird, woraufhin die jeweilige Vorrichtung 2 angesteuert wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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