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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung des Wärmeenergiebedarfs von beliebigen Endabnehmern unter dem Gesichtspunkt, dass die Nutzung bisher nicht genutzter Abwärme und Prozesswärme aus Kraftwerken zur Deckung des Wärmeenergiebedarfs von Haushalten bis hin zu Industrieanlagen ausgeführt wird.
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Aus dem gegebenen Stand der Technik heraus bestehen verschiedene Möglichkeiten der Speicherung und Belieferung von Energie.
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In Verbindung mit Heizkraftwerken sind auch Wärmespeicher nutzbar. Bei fortschreitender Entwicklung können sie wegen den großen realisierbaren Speichermengen sogar im MW-Bereich interessant werden.
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Es wird hierbei zwischen sogenannten sensiblen, latenten, sorptiven und chemischen Wärmespeichern unterschieden. Sensible Speicher nehmen die zu speichernde Wärme auf. Dabei erhöht sich die Temperatur des Speichermediums. Sensible Speicher werden als Heizwasserspeicher oder Feststoffspeicher ausgeführt. In Feststoffspeichern werden unterschiedliche Materialien, wie etwa Beton bzw. verschiedene Tonarten, eingesetzt. Diese können jeweils als Kompaktkörper oder als Schüttung vorliegen. Die darüber hinaus verwendeten Latentwärmespeicher weisen eigene Eigenschaften auf. In ihnen findet die Speicherung latent, also versteckt, statt. Bei der Wärmezufuhr erhöht sich ihre Temperatur nicht; die Speicherung findet in sogenannten Phasenwechselmaterialien statt, deren Aggregatzustand sich während der Erwärmung von fest nach flüssig ändert. Latente Speicher bestehen beispielsweise aus Kombinationen von Steingranulat und Paraffinen.
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Sorptive Wärmespeicher wiederum nehmen eine Zwischenstellung ein; bei dieser Speicherart wird ein flüssiges oder gasförmiges Medium von einem festen Medium aufgenommen. Sie bestehen zum Beispiel aus mit Kieselgel gefüllten Metallschwämmen und vereinen die Eigenschaften sensibler und latenter Speichersysteme.
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Kraftwerke, gleich welcher Bauart erzeugen im Umwandlungsprozess eines Brennstoffes (Kohle, Öl, Gas, Atom, Biomasse etc.) zur Stromerzeugung in der Zwischenstufe zunächst erhebliche Mengen an Wärmeenergie (Heißwasser, Dampf). Soweit diese Energie im Stromerzeugungsprozess (Turbine/Generator) nicht in elektrische Energie umgewandelt wird, liegt sie zunächst als nicht verwertbares "Abfallprodukt" vor und wird ohne weitere Nutzung vernichtet (Kühlturm). Der entsprechend nicht in elektrische Energie umgewandelte Energieanteil des Brennstoffes geht somit zunächst verloren.
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Die weiterführende Nutzung dieser Energie wird derzeit allenfalls in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) dargestellt, indem die erzeugte, jedoch nicht zur Umwandlung in Elektroenergie benötigte Energie zur Wärmeversorgung (Raumwärme, Prozesswärme für Privathaushalte, Geschäft, Industrie) verwendet wird.
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Zentrale gemeinsame Eigenschaft dieser KWK-Anlagen ist, dass die Nutzung der „Abfallwärme" in unmittelbarer oder mittelbarer Nähe der Anlage erfolgen muss und leitungsgebunden ist. Unterschieden wird hier in zentrale Wärmeerzeugung (KWK-Anlage direkt am Ort der Wärmeverwendung; zum Beispiel BHKW) und dezentrale Wärmeerzeugung, welche wiederum in Nah- und Fernwärme unterteilt wird. Bekannteste Beispiele sind hier Heizkraftwerke, welche in größeren Städten neben der Stromerzeugung über ein Wärmeverteilnetz die gesamte Wärmeversorgung der angeschlossenen Endverbraucher übernehmen.
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Über die angeschlossenen Endverbraucher der Heizwärme wird die Betriebsweise der klassischen Heizkraftwerke regelmäßig durch das Nutzerverhalten der Endverbraucher determiniert. Es gibt keine Möglichkeiten zur Erschließung alternativer Nutzer bzw. Kunden, gerade in lastschwachen Zeiten, beispielsweise in den Sommermonaten.
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Weiterhin ist aus der
DE 43 07 065 A1 ein Latentwärmespeicher mit einem Speicherbehälter bekannt, der Paraffin als Latentspeichermedium und Wasser als Sekundärmedium enthält. Dabei ist das Wasser im Wesentlichen im unteren Teil des Speicherbehälters angeordnet, während das Paraffin im mittleren Bereich des Speicherbehälters angeordnet ist auf dem Wasser schwimmt. Im oberen Teil des Speicherbehälters befindet sich ein Vakuum oder Unterdruck. Da das verfestigte Paraffin nur eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist es porös ausgebildet, um die mit dem Sekundärmedium in Kontakt stehende Oberfläche zu vergrößern und somit die Wärmekopplung zwischen dem Paraffin und dem Sekundärmedium zu verbessern. An der Innenseite der Behälterwand sind Festeinbauten vorgesehen, die in Gebrauchsstellung sowohl in das Paraffin, als auch in das Wasser hineinragen. Außerdem schwimmen in dem Paraffin kugelförmige Kristallkeimbildner, die stielartige Fortsätze aufweisen, welche ebenfalls sowohl in das Paraffin, als auch in das Wärmeübertragungsmedium hineinragen. Mittels der Festeinbauten und der stielartigen Fortsätze sollen in dem verfestigten Paraffin Kanäle freigeschmolzen werden, durch die das Wasser hindurchströmen kann. Trotz dieser Maßnahmen weist der Latentwärmespeicher jedoch nur eine vergleichsweise schlechte thermische Kopplung zwischen dem Paraffin und dem Sekundärmedium auf.
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Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur Versorgung des Wärmeenergiebedarfs von beliebigen Endabnehmern zu finden unter dem Gesichtspunkt, dass die Wärmespeicherung über Silicagel stattfindet.
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Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß laut dem Patentanspruch 1 ausgeführt, wobei der Nachteil des Standes der Technik beseitigt wird bzw. neue technische Lösungen zur Speicherung von Energie im Zusammenhang mit Silicagel und eine Versorgung des Wärmeenergiebedarfs an beliebige Endabnehmer stattfinden.
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Dabei wird ein Verfahren gemäß der Aufgabenstellung entwickelt, welches zur Versorgung des Wärmeenergiebedarfs von beliebigen Endabnehmern durch Speicherung von Energie von Kraftwerken über den Transport bis hin zum Endabnehmer dient, wodurch die Energie einer Speicherung in Kartuschen unterliegt, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt die Speicherung der überflüssigen Energie eines Kraftwerkes in Kartuschen mit dem Hauptbestandteil Silicagel ausgeführt wird und gleichzeitig einem rechnergestützten Ladeprozess, einer Kartuschenbefüllung, Vorratshaltung, Logistik und einem Vertriebskonzept unterliegt und nachfolgend ein Transport mit den Kartuschen mit Transportmitteln bekannter Art zum Endabnehmer durchgeführt wird und beim Endabnehmer ein Anschluss an die Kartusche und die Lagerung unter Einbindung der bestehenden Anlage stattfindet und gleichzeitig eine Datenübertragung aller Verbrauchsdaten hin zur zentralen Anlage der Kartuschenverwaltung gegeben ist.
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Kraftwerke, gleich welcher Bauart erzeugen im Umwandlungsprozess eines Brennstoffes (Kohle, Öl, Gas, Atom, Biomasse etc.) zur Stromerzeugung in der Zwischenstufe zunächst erhebliche Mengen an Wärmeenergie (Heißwasser, Dampf). Soweit diese Energie im Stromerzeugungsprozess (Turbine/Generator) nicht in elektrische Energie umgewandelt wird, liegt sie zunächst als nicht verwertbares "Abfallprodukt" vor und wird ohne weitere Nutzung vernichtet (Kühlturm). Der entsprechend nicht in elektrische Energie umgewandelte Energieanteil des Brennstoffes geht somit zunächst verloren.
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Die weiterführende Nutzung dieser Energie wird derzeit allenfalls in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) dargestellt, indem die erzeugte, jedoch nicht zur Umwandlung in Elektroenergie benötigte Energie zur Wärmeversorgung (Raumwärme, Prozesswärme für Privathaushalte, Geschäft, Industrie) verwendet wird.
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Zentrale gemeinsame Eigenschaft dieser KWK-Anlagen ist, dass die Nutzung der „Abfallwärme" in unmittelbarer oder mittelbarer Nähe der Anlage erfolgen muss und leitungsgebunden ist. Unterschieden wird hier in zentrale Wärmeerzeugung (KWK-Anlage direkt am Ort der Wärmeverwendung; zum Beispiel BHKW) und dezentrale Wärmeerzeugung, welche wiederum in Nah- und Fernwärme unterteilt wird. Bekannteste Beispiele sind hier Heizkraftwerke, welche in größeren Städten neben der Stromerzeugung über ein Wärmeverteilnetz die gesamte Wärmeversorgung der angeschlossenen Endverbraucher übernehmen.
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Über die angeschlossenen Endverbraucher der Heizwärme wird die Betriebsweise der klassischen Heizkraftwerke regelmäßig durch das Nutzerverhalten der Endverbraucher determiniert. Es gibt keine Möglichkeiten zur Erschließung alternativer Nutzer bzw. Kunden, gerade in lastschwachen Zeiten, beispielsweise in den Sommermonaten.
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Wärmeverbrauchsanlagen, welche nicht wie oben beschrieben an ein zentrales oder dezentrales Versorgungsnetz angeschlossen sind, decken ihren Wärmebedarf über Heizungsanlagen, welche in der Regel die benötigte Wärmeenergie wiederum aus Brennstoffwärme (Kohle, Gas, Holz, Öl etc.) gewinnen. Diese Anlagen werden jedoch ausschließlich zur Wärme- nicht jedoch zur Stromerzeugung genutzt.
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Solche Heizungsanlagen sind heute insbesondere in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie kleineren Geschäfts- und Industriegebäuden vorzufinden und bilden den Stand der Technik. Sie werden allenfalls zusätzlich durch erneuerbare Energie (Solarthermie) unterstützt und haben teilweise die Möglichkeit, erzeugte Wärme bis zum endgültigen Verbrauch vorübergehend zu speichern (zum Beispiel Warmwasserspeicher im Einfamilienhaus).
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Unter Außerachtlassung der oben genannten KWK-Anlagen (Erzeugerseite) und des ebenfalls oben genannten Wärmebedarfsanteils, welcher durch KWK-Anlagen gedeckt wird, ergibt sich ein erheblicher Brennstoffenergieanteil, welcher bislang im Rahmen der Stromerzeugung ungenutzt bleibt. Auf der anderen Seite ergibt sich ein ebenso erheblicher Energieanteil an benötigter Brennstoffwärme, welcher im Rahmen der zentralen Wärmeerzeugung durch den Einsatz nicht erneuerbarer Energieträger (feste, flüssige, gasförmige Brennstoffe) gedeckt werden muss.
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Die entwickelte und nachfolgend skizzierte Idee soll die Lücke zwischen der Erzeugung ungenutzter (Ab-)Wärme in Groß-/Heizkraftwerken und benötigter (Brennstoff-)Wärme in Heizungsanlagen dadurch schließen, dass Silicagele eingesetzt werden, um am Ort der Wärmeerzeugung (Kraftwerke) mit Wärmeenergie "aufgeladen" zu werden, welche am Ort des Bedarfes (Heizungsanlage) wieder entnommen wird.
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Die räumliche Distanz zwischen beiden Orten soll ohne Leitungsgebundenheit durch individuellen Transport des Silicagels (übliche Fracht) überwunden werden.
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Das Silicagel soll hierzu in standardisierte Transportbehälter (nachfolgend vorläufig "Kartuschen" genannt) verbracht werden.
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Kraftwerksseitig müssen Anlagen entwickelt werden, welche geeignet sind, die Aufladung der Kartuschen innerhalb des Kraftwerksprozesses zu ermöglichen. (Produktionsstrecke)
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Es sollen Systeme entwickelt werden, welche in die bestehende Heizungsanlage eingebunden sind und die Aufnahme der Kartuschen sowie die Wärmeabgabe an das Heizungssystem ermöglichen.
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Idealerweise soll die Abgabe der in den Kartuschen gespeicherten Wärme bedarfsorientiert (skalierbar) erfolgen.
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Die Systeme selbst sollen ebenfalls skalierbar gestaltet werden, um sich unterschiedlichen Wärmebedarfsmengen anzupassen und so unterschiedliche Kundensegmente ansprechen zu können.
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Das kleinste System soll die vollständige oder teilweise Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses sicherstellen und in eine typische Heizungsanlage eines Einfamilienhauses eingebunden werden können. (Wärmeübergabe an vorhandenen Wärmespeicher)
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Das größte System soll die vollständige oder teilweise Wärmeversorgung eines Unternehmens (zum Beispiel Schwimmbad, Industriebetrieb, Mehrfamilienhaus einer Wohnungsgesellschaft o. ä.) sicherstellen und in eine typische Heizungsanlage eingebunden werden können. (Wärmeübergabe an vorhandenen Wärmespeicher)
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Es sollen Kartuschen entwickelt werden, welche unterschiedlichsten Verbrauchsanforderungen trotz Standardisierung gerecht werden.
- – Skalierbarkeit durch Zusammenschaltung mehrerer Kartuschen (Kurzzeitbedarf Einfamilienhaus bis Containerlösung für Langzeit- oder Hochmengenbedarf)
- – Einzel- und Großhandelsfähigkeit
- – sowohl nutzerunabhängige, als auch nutzerabhängige Wechselmöglichkeit der Kartuschen
- – selektive Wärmeabgabe
- – Transportlogistik als Standardprozess
- – Verbrauchs-/Zustandsmeldung der Kartuschen an Logistikzentrale
- – zentrales Logistikmanagement
- – optimale Wiederaufbereitungs-/Entsorgungsbedingungen für das verwendete Silicagel
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Die angestrebte Lösung steht letztlich im Wettbewerb zu heute bestehenden Heizungsarten mit festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen. Ihr mögliches Alleinstellungsmerkmal kann darin liegen, dass eine weitreichende Unabhängigkeit von diesen Brennstoffen erreicht wird. Die erfolgreiche Verdrängung dieser traditionellen Brennstoffe hätte weitreichende positive volkwirtschaftliche und Umweltfolgen, weil nicht beabsichtigt ist, die Nutzung eines Brennstoffes durch die Nutzung eines weiteren Brennstoffes zu ersetzen. Vielmehr soll die "Ohnehin-Nutzung" mit anschließender Vernichtung von Brennstoffenergie ersetzt werden.
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Das gesamte Potential einer Best-Case-Betrachtung bei vollständiger Marktdurchdringung und noch zu untersuchender wirtschaftlicher Darstellbarkeit liegt daher in der möglichen Deckung des gesamten Wärmebedarfes dezentraler Heizungsanlagen durch den gesamten bereits anfallenden Abwärmeanteil von Kraftwerken.
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Die mögliche Umsetzung ist weltweit denkbar und definiert sich über den Standort entsprechender Anlagen in Verbindung mit dem wirtschaftlich sinnvollen Transportradius.
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Grundsätzlich muss also festgestellt werden, dass zur Speicherung in Kartuschen Kieselgel, Kieselsäuregel oder Silicagel verwendet wird. Dabei handelt es sich um ein amorphes Siliciumdioxid von gelartiger, gummiartiger bis fester Konsistenz im farblosen Zustand. Es besitzt eine große innere Oberfläche. Es ist stark hygroskopisch, also wasseranziehend, und eignet sich als Geliermittel, Filter-, Adsorptionsmaterial und Trockenmittel. Man rechnet es zu den Xerogelen.
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Das Silicagel ist in Granulatform in einem Kessel, in dem sich ein Wärmeübertrager befindet. Unter Energieaufwand wird im Sommer das Silicagel getrocknet, und es steht unter hoher innerer Spannung. Im Winter wird es ein wenig belüftet und Schritt für Schritt auf den Wasserdampf-Partialdruck der Umgebung gebracht. Die entstehende Wärme wird genutzt.
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Der Vorteil von thermochemischen Wärmespeichern gegenüber konventionellen Wärmespeichern in Form eines Wassertanks liegt in ihrer höheren Speicherdichte von 200 bis 300 kWh/m3 gegenüber nur etwa 60 kWh/m3 bei Wasser. Außerdem kann die Energie über Jahre verlustfrei gespeichert werden.
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In der 1 ist ein allgemeines Schaltbild dargestellt, welches die Erfindung näher beschreibt.
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In dem Kraftwerk 1, als städtegebundenes Heizkraftwerk ausgeführt, wird der Ladeprozess, die Kartuschenbefüllung, die Vorratshaltung, die Logistik und das Vertriebskonzept über eine rechnergestützte Anlage automatisiert.
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Dabei ist insbesondere der Effekt der Kartuschenbefüllung über Kartuschen mit beinhaltetem Kieselgel als erfindungswesentlich zu betrachten. Über einen normalen Transport 2, vorzugsweise durch LKWs bzw. auch durch die Deutsche Bahn, und die Anbindung von LKW und den Frachttransport wird ein Kartuschenwechsel 3 vor Ort bei dem Endabnehmer 6 ausgeführt. Dabei ist die erfindungsgemäße Kartusche 4 gegeben. Die Lagerung 5 der Kartuschen 4 bzw. die Auswechselung und Einlagerung ist speziell für den Endabnehmer 6 je nach Bedingungen konzipiert. Bei der Lagerung 5 ist eine Außenlagerung der Kartuschen 4 nach dem Umfeld gegeben. Beim Endabnehmer 6 ist eine Anbindung an die bestehende Heizungsanlage vorgesehen. Dabei ist eine kontinuierliche Entleerung der Kartuschen 4 in dem bestehenden Wärmespeicher der Heizungsanlage beim Endabnehmer 6 gegeben. Eine dementsprechende Datenübertragung des Kartuschenfüllstandes wird über eine Datenleitung, zum Beispiel Internet, oder Störungsmeldung in die Logistikzentrale im Kraftwerk 1 geleitet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftwerk
- 2
- Transport
- 3
- Kartuschenwechsel
- 4
- Kartusche
- 5
- Lagerung
- 6
- Endabnehmer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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