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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieumwandlung und Wassergewinnung.
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In vielen Teilen der Erde wird in steigendem Maße Kälte beziehungsweise Kühlleistung zur Gebäudeklimatisierung sowie für andere Anwendungszwecke benötigt. Auf herkömmlichem Wege wird Kälte in Kompressionskältemaschinen, Absorptionskältemaschinen und Adsorptionskältemaschinen erzeugt. Diese unterschiedlichen Kältemaschinen werden überwiegend durch Elektromotoren angetrieben, so dass während Spitzenlastzeiten, insbesondere tagsüber, eine hohe Belastung des Stromnetzes auftritt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energieumwandlung anzugeben, mit dem die Bereitstellung von Kälte vereinfacht werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Energieumwandlung und Wassergewinnung mit den folgenden Schritten vorgesehen: Verdichten von Luft in einem Verdichter, Entziehen eines Teils der in der verdichteten Luft enthaltenen Wärmeenergie in einem Wärmetauscher, Entspannen und Abkühlen der verdichteten Luft in einer dem Verdichter nachgeschalteten Turbine, Regeln der Turbine, derart, dass die Luft nach der Expansion eine Temperatur über 0 °C aufweist, Auffangen von in der Turbine kondensiertem Wasserdampf und Verwenden des aufgefangenen Wassers in einem Kühlprozess.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf herkömmliche, elektrisch angetriebene Kältemaschinen verzichtet werden kann, indem stattdessen ein Kraftwerksprozess mit einer Turbomaschine durchgeführt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verdichter vorzugsweise elektrisch angetrieben und produziert verdichtete und heiße Luft. Eine Kondensation des Wasserdampfs wird durch die beim Verdichten entstehende Kompressionswärme verhindert. In einem Wärmetauscher, der zwischen Verdichter und Turbine angeordnet ist, wird der verdichteten Luft ein Teil der enthaltenen Wärmeenergie entzogen. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet. Nach dem Durchlaufen des Wärmetauschers wird die Luft in der Turbine expandiert und kühlt dabei ab. Die Turbine wird so geregelt, dass die Luft nach der Expansion eine Temperatur über 0 °C aufweist, so dass ein Ausfrieren von Wasser vermieden wird. Vorzugsweise wird die Temperatur auf ca. 4 °C eingestellt. Bei der Expansion der Luft in der Turbine kühlt diese ab, so dass Wasserdampf und/oder Luftfeuchtigkeit in der Turbine kondensiert und als Wasser gewonnen werden kann. Das aufgefangene Wasser wird in einem Kühlprozess verwendet, beispielsweise zur Gebäudeklimatisierung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass die expandierte, abgekühlte Luft nach dem Passieren der Turbine ebenfalls in einem Kühlprozess verwendet wird. Dementsprechend kann sowohl der kondensierte Wasserdampf beziehungsweise das aufgefangene Wasser als auch die abgekühlte Luft in einem Kühlprozess eingesetzt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die abgekühlte Luft nach dem Passieren der Turbine einen weiteren Wärmetauscher durchläuft, der als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet sein kann, um Wasser abzukühlen, wobei das abgekühlte Wasser in einem Kaltwasserspeicher gespeichert wird. Die Speicherung des abgekühlten Wassers in dem Kaltwasserspeicher ermöglicht es das gekühlte Wasser zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erzeugen und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. Beispielsweise kann das gekühlte Wasser nachts erzeugt werden und am nächsten Tag zur Gebäudeklimatisierung genutzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders effizient, wenn die Temperatur der expandierten Luft nach dem Passieren der Turbine eine Temperatur zwischen 2 °C und 6 °C aufweist, vorzugsweise beträgt die Temperatur der expandierten Luft näherungsweise 4 °C. Die Temperatur wird so eingestellt, dass eine maximale Kühlung erreicht wird, ohne dass es zum Ausfrieren von Wasser innerhalb der Turbine kommt.
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Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass der Verdichter und die Turbine über eine gemeinsame Welle verbunden sind. Dementsprechend weisen Verdichter und Turbine bei dieser Variante stets dieselbe Drehzahl auf.
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Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es alternativ auch vorgesehen sein, dass der Verdichter und die Turbine nicht über eine gemeinsame Welle verbunden und mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind. Bei dieser Variante ergeben sich auch Vorteile hinsichtlich des Platzbedarfs, da zwischen Verdichter und Turbine der (erste) Wärmetauscher angeordnet ist. Wenn der Verdichter und die Turbine mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind, können sie einfacher in einem optimalen Betriebsbereich betrieben werden.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren noch effizienter zu gestalten, kann es vorgesehen sein, dass der Turbine ein Generator nachgeschaltet ist, um in der entspannten Luft enthaltene kinetische Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. Somit kann mittels des Generators ein Teil der elektrischen Antriebsleistung, die für den Verdichter benötigt wird, zurückgewonnen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, die vorzugsweise wenigstens 70 % oder 80 % beträgt und/oder für Umgebungsbedingungen mit hohen Temperaturen, die vorzugsweise wenigstens 30 °C oder 40 °C betragen. Bei diesen Temperatur- und Feuchtebedingungen ist die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewinnbare Wassermenge signifikant, so dass das erfindungsgemäße Verfahren gezielt zur Gewinnung von Wasser aus Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden kann.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass Wärme, die dem zwischen Verdichter und Turbine angeordneten Wärmetauscher entzogen wird, in einem Wasserdampfkreislauf genutzt wird, indem im Wärmetauscher entstehendes Druckwasser entspannt wird, um Dampf zu erzeugen, der eine Dampfturbine antreibt, die vorzugsweise mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Anstelle eines Wasserdampfkreislaufs kann auch ein Organic Rankine Cycle (ORC) zum Rückgewinnen eines Teils der für den Verdichter eingesetzten elektrischen Antriebsenergie verwendet werden. In dem Wasserdampfkreislauf wird zunächst das in dem zwischen Verdichter und Turbine angeordneten Wärmetauscher entstehende Druckwasser entspannt, wodurch Dampf erzeugt wird. Dieser Dampf treibt die Dampfturbine, die mit einem Generator gekoppelt ist, an. Das beim Entspannen entstehende Wasser kann wieder dem Wärmetauscher zugeführt werden. Vorzugsweise wird der Dampf nach der Turbine in einem Kondensator kondensiert und anschließend mittels einer Pumpe in einem Kreislauf zu dem Wärmetauscher gefördert. Optional kann die Dampfturbine auch als Sattdampfturbine ausgeführt sein, wobei dann eine Teilkondensation des Wassers schon in der Turbine erfolgt. Es ist allerdings auch denkbar, dass keine Stromerzeugung mittels des Generators stattfindet, stattdessen kann die in dem Dampf enthaltene Wärme auch direkt für andere Anwendungen eingesetzt werden.
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Eine wesentliche Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erzielt werden, wenn zwischen dem Wärmetauscher und der Dampfturbine ein Druckwasserspeicher vorgesehen wird. Durch Speicherung des Druckwassers kann die Erzeugung von Kälte und die Wiedergewinnung von elektrischer Energie aus dem Druckwasser beziehungsweise dem Wasserdampf zeitlich versetzt zueinander durchgeführt werden. Beispielsweise können Verdichter und Turbine nachts betrieben werden, um gegebenenfalls einen günstigeren Stromtarif zu nutzen. Tagsüber, wenn ein erhöhter Strombedarf besteht, kann das in dem Druckwasserspeicher gespeicherte Druckwasser mittels der Dampfturbine in dem damit gekoppelten Generator zur Stromerzeugung genutzt werden. Dementsprechend erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen sehr flexiblen Betrieb, der an den aktuellen Bedarf angepasst werden kann.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Energieumwandlung und Wassergewinnung, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung umfasst:
einen elektrisch antreibbaren Verdichter zum Verdichten von Umgebungsluft, einen Wärmetauscher, um der verdichteten Luft Wärme zu entziehen, eine dem Verdichter nachgeschaltete Turbine, um die verdichtete Luft zu entspannen und abzukühlen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Turbine so geregelt ist, dass die Luft nach der Expansion eine oberhalb 0 °C liegende Temperatur aufweist und dass die Vorrichtung ein Mittel zum Auffangen von kondensiertem Wasserdampf aufweist.
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Der Begriff „Mittel zum Auffangen von kondensiertem Wasserdampf“ kann als Behälter oder Speicher ausgebildet sein, in dem das Wasser gesammelt wird, es kann jedoch auch als Rohrleitung ausgebildet sein, durch die das Wasser gefördert wird, um dieses unmittelbar, ohne vorherige Speicherung, in einem Kühlprozess zu verwenden. Dasselbe gilt für die am Ausgang der Turbine anfallende expandierte kalte Luft, die als Prozessluft zur Kühlung nutzbar ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es bevorzugt, dass der dem Verdichter nachgeschaltete Wärmetauscher an die Dampfturbine angeschlossen ist, die mit dem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Energieumwandlung und Wassergewinnung umfasst einen Verdichter 2, der durch einen Elektromotor 3 angetrieben wird. Mittels des Verdichters 2 wird Umgebungsluft 4 verdichtet. Die verdichtete und heiße Luft durchläuft anschließend einen Wärmetauscher 5, der als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet ist. In dem Wärmetauscher 5 wird der verdichteten Luft ein Teil der enthaltenen Wärmeenergie entzogen, diese Wärmeenergie wird auf Wasser übertragen, das den Wärmetauscher 5 durchströmt.
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Nach dem Passieren des Wärmetauschers 5 wird die abgekühlte, verdichtete Luft in einer Turbine 6 entspannt und weiter abgekühlt. Verdichter 2 und Turbine 6 sind bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht über eine gemeinsame Welle miteinander gekoppelt, dementsprechend können Verdichter 2 und Turbine 6 mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Ebenso können der Verdichter 2 und die Turbine 6 in einem gewissen räumlichen Abstand voneinander angeordnet sein. Die Vorrichtung 1 eignet sich besonders gut für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen und gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit. In diesem Ausführungsbeispiel wird von einer Umgebungstemperatur von 40 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 80 % ausgegangen. Derartige Umgebungsbedingungen treten z. B. im arabischen Raum häufig auf.
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Als Folge der Expansion und der Abkühlung der komprimierten Luft in der Turbine 6 kondensiert Wasserdampf nach dem Passieren der Turbine 6. Der Wärmeaustrag im Wärmetasucher 5 und die Turbine 6 werden dabei so geregelt, dass die Luft nach der Expansion eine Temperatur über 0 °C aufweist. Durch diese Maßnahme soll vermieden werden, dass Wasser innerhalb der Turbine 6 ausfriert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur auf ca. 4 °C eingestellt. Während des Betriebs der Turbine 6 kondensiert permanent Wasserdampf, das aufgefangene Wasser wird in einem Kühlprozess verwendet. Bezugszeichen 7 zeigt schematisch die Wassergewinnung am Ausgang der Turbine 6. Die Vorrichtung 1 und das beschriebene Verfahren eignen sich somit zur Gewinnung von kaltem Wasser aus Umgebungsluft unter der Voraussetzung, dass die Umgebungsluft eine hohe Luftfeuchtigkeit aufweist.
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Zusätzlich zu dem gekühlten Wasser, das am Ausgang der Turbine 6 anfällt, kann auch die abgekühlte entspannte Luft verwendet werden, die einen Wärmetauscher 8 passiert, der der Turbine 6 nachgeschaltet ist. Mittels des Wärmetauschers 8 kann ein anderer Flüssigkeitskreislauf gekühlt werden, um z. B. ein Gebäude 9 zu klimatisieren, das heißt zu kühlen. Nachdem die Luft den Wärmetauscher 8 passiert hat, bleibt trockene Abluft übrig, die eventuell weiter genutzt werden kann.
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In 1 erkennt man, dass der zwischen dem Verdichter 2 und der Turbine 6 angeordnete Wärmetauscher 5 Bestandteil eines Wasserdampfkreislaufs 10 ist. Der dargestellte Wasserdampfkreislauf 10 ist lediglich beispielhaft zu verstehen, alternativ könnte auch ein anderer Kreisprozess vorgesehen werden, z. B. ein Organic Rankine Cycle, um einen Teil der für die Verdichtung eingesetzten elektrischen Energie zurückzugewinnen.
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In dem Wasserdampfkreislauf 10 gibt die in dem Verdichter 2 verdichtete heiße Luft einen Teil ihrer Wärmeenergie an eine Flüssigkeit wie Wasser ab, die den Wärmetauscher 5 durchströmt. Nach dem Passieren des Wärmetauschers 5 kann optional eine Wärmeauskopplung 11 vorgesehen sein. Durch Entspannen des Druckwassers in dem Wasserdampfkreislauf 10 wird Dampf erzeugt, der eine Dampfturbine 12 antreibt, die wiederum mit einem Generator 13 zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Alternativ kann direkt im Wärmetauscher 5 Dampf erzeugt werden, wenn dieser als Dampferzeuger ausgeführt ist. Anschließend, nach dem Passieren der Dampfturbine 12, wird der Wasserdampf in einem Kondesator 14 kondensiert und mittels einer Pumpe 15 wieder dem Zulauf des Wärmetauschers 5 zugeführt. Weitere Komponenten, die für einen Wasserdampfkreislauf notwendig sind (z. B. Speisewasserbehälter, Ventile) sind in 1 nicht gezeigt.
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Mittels der Vorrichtung 1 können sowohl Wärme als auch Kälte durch einen Prozess auf Basis einer Turbine, z. B. einer Gasturbine, erzeugt werden. An Standorten mit Wassermangel kann auf diese Weise Wasser aus Luftfeuchtigkeit gewonnen werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 16 zur Energieumwandlung, die ebenfalls für die Durchführung des Verfahrens zur Energieumwandlung geeignet ist.
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Diejenigen Komponenten des Ausführungsbeispiels von 2, die mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels übereinstimmen, werden an dieser Stelle nicht nochmals im Detail beschrieben.
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In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 16 den Verdichter 2 zum Verdichten von Umgebungsluft 4, die Turbine 6 und den zwischen Verdichter 2 und Turbine 6 angeordneten Wärmetauscher 5. Zwischen dem Wärmetauscher 8 und dem Gebäude 9 ist abweichend zu dem ersten Ausführungsbeispiel ein Kaltwasserspeicher 17 angeordnet, der als Vorratsbehälter für gekühltes Wasser dient. Das Vorsehen des Kaltwasserspeichers 17 ermöglicht es, das gekühlte Wasser zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitzustellen und zu einem späteren Zeitpunkt zur Kühlung des Gebäudes 9 zu nutzen. Dementsprechend kann die Vorrichtung 16 zu einem günstigen Zeitpunkt betrieben werden, z. B. nachts oder wenn ein großes Stromangebot durch regenerative Energien zur Verfügung steht. Das in dem Kaltwasserspeicher 17 gespeicherte gekühlte Wasser kann andererseits zu einem späteren Zeitpunkt zur Kühlung genutzt werden, z. B. tagsüber, wenn ein hoher Bedarf an Kälteleistung zur Gebäudeklimatisierung vorhanden ist.
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Die in 2 gezeigte Vorrichtung 16 umfasst ebenfalls einen Wasserdampfkreislauf 18, der die Dampfturbine 12 mit Generator 13 sowie den Kondensator 14 und die Pumpe 15 umfasst. Zusätzlich ist ein Druckwasserspeicher 19 vorgesehen, der zwischen dem Wärmetauscher 5 und der Dampfturbine 12 angeordnet ist. Dementsprechend kann der Druckwasserspeicher während des Betriebs des Verdichters 2 mittels des Wärmetauschers 5 „geladen“ werden, bis er mit heißem, unter Druck stehendem Wasser gefüllt ist. Das Vorhandensein des Druckwasserspeichers 19 gestattet es, das darin gespeicherte Wasser zu einem späteren Zeitpunkt für den Wasserdampfkreislauf zu nutzen, um auf diese Weise elektrischen Strom zu erzeugen.
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Bei der Vorrichtung 16 wird somit der Kaltwasserspeicher 17 zum Speichern von Energie (Kaltwasser) in einem Wasserspeicher genutzt, daneben wird der Druckwasserspeicher 19 zum Speichern von Energie in Form von Druckwasser als weiterer Wasserspeicher benutzt. Die Wiedergewinnung (Rückverstromung) in der Dampfturbine und die Wärmenutzung können zeitlich versetzt beziehungsweise unabhängig von dem Betrieb des Verdichters 2 und der Turbine 6 erfolgen. Diese Komponenten können z. B. nachts bei reduziertem Strompreis in Betrieb sein, tagsüber kann anschließend mittels der Dampfturbine 13 Strom zur Deckung von Spitzenlasten erzeugt werden. Zudem wird durch die Vorrichtung 16 die Speicherung von Kälte in einem Kaltwasserspeicher ermöglicht. Die Kälte wird nachts kontinuierlich erzeugt und kann tagsüber, insbesondere zur Mittagszeit, zur Klimatisierung eines Gebäudes eingesetzt werden. Dementsprechend erfolgt bei der Vorrichtung 16 eine Trennung von Stromaufnahme und Stromabgabe beziehungsweise von Wärme- und Kälteabgabe, wodurch ein sehr flexibler Betrieb möglich 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.
