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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung von Wärme, wobei mehrere, mit einem Sorbens befüllte thermochemische Energiespeicher über eine Sorptivleitung miteinander verbunden werden sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Zum Speichern von Wärme sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Verfahren und Vorrichtung bekannt (z.B.
DE 202012003205 U1 ), die einen oder mehrere mit einem Sorbens befüllte thermochemische Energiespeicher umfassen, wobei Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf das Sorbens vorgesehen sind. Nachteilig an diesen bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen ist allerdings, dass entweder das Sorbens selbst oder aber ein getrennter Wärmeträger zwischen unterschiedlichen Wärme- bzw. Druckniveaus gefördert werden muss, um Wärme speichern oder abgeben zu können, was entweder mit einem erhöhten Energiebedarf für den Transport des Sorbens oder mit Übertragungsverlusten beim Wärmeaustausch zwischen Wärmeträger und Sorbens verbunden ist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass ein zusätzlicher Energiebedarf für den Transport des Sorbens genauso wie Übertragungsverluste beim Wärmeaustausch zwischen dem Sorbens und einem Wärmeträger vermieden werden können.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass wenigstens ein erster thermochemischer Energiespeicher einer wiederkehrenden Temperaturschwankung so unterworfen wird, dass beim Erwärmen das Sorptiv aus dem Sorbat des wenigstens einen ersten Energiespeichers desorbiert und über einen Kondensator in der Sorptivleitung abgeschieden werden kann, während beim Abkühlen das Sorptiv aus dem Sorbat des wenigstens zweiten Energiespeichers in den wenigstens ersten Energiespeicher unter Ausnutzung des dort herrschenden niedrigeren Druckes resorbiert wird.
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Zur Folge dieser Maßnahmen kann ein eigenes Transportsystem für das Sorbens entfallen, weil nicht das Sorbens, sondern lediglich das Sorptiv zufolge von Unterschieden im Druckniveau zwischen den erfindungsgemäß vorgesehenen Energiespeichern transportiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft dabei in zwei Phasen ab. In einer ersten Phase ist der wenigstens erste thermochemische Energiespeicher einem hohen Temperaturniveau unterworfen, wie dies beispielsweise durch eine Sonnenbestrahlung des ersten Energiespeichers bedingt wird, sodass das im ersten Energiespeicher enthaltende Sorbat erwärmt wird und das Sorptiv folglich aus dem Sorbat desorbiert. Das desorbierte Sorptiv gelangt über eine Sorptivleitung, die an den ersten thermochemischen Energiespeicher angeschlossen ist, zu einem Kondensator, in dem das Sorptiv in einen Sorptivspeicher abgeschieden werden kann. In einer zweiten Phase ist der erste thermochemische Energiespeicher einem verhältnismäßig niedrigen Energieniveau ausgesetzt, sodass das Sorbens das Sorptiv aus der angeschlossenen Sorptivleitung resorbiert. Nachdem der erste thermochemische Energiespeicher über die Sorptivleitung über einen zwischengeschalteten Kondensator mit wenigstens einem zweiten thermochemischen Energiespeicher verbunden ist, wird in dieser Phase Sorptiv aus dem Sorbat des wenigstens zweiten Energiespeichers angesaugt und das Sorbat im zweiten Energiespeicher getrocknet. In der Sorptivleitung sind hierfür grundsätzlich keine aktiven Fördereinrichtungen oder Ventile erforderlich, weil der Sorptivaustausch rein auf Basis von Temperatur- und Druckunterschieden erfolgt. Folgen mehrere der beiden beschriebenen Phasen aufeinander, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens beide thermochemische Energiespeicher nach und nach getrocknet und somit geladen werden. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich mit jedem Sorbens und Sorptiv durchgeführt werden kann, kann als Sorbens beispielsweise Zeolith und als Sorptiv Wasserdampf zum Einsatz kommen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wobei wenigstens zwei, ein Sorbens ortsfest enthaltenden thermochemischen Energiespeichern, die über eine Sorptivleitung miteinander verbunden sind, wobei wenigstens ein thermochemischer Energiespeicher als Solarkollektor ausgebildet ist, über den das enthaltene Sorbens durch Sonneneinstrahlung beheizbar ist. Zur Folge dieser Maßnahmen, ergeben sich besonders vorteilhafte Bedingungen zum Erwärmen des Sorbats im ersten thermochemischen Energiespeicher. Der Solarkollektor kann dabei entweder als Flachbett oder in Form des für den Fachmann bekannten „Sidney-Typs“ ausgeführt sein. Obwohl eine Beheizung des Sorbats im ersten thermochemischen Energiespeicher grundsätzlich auch über einen von diesem Energiespeicher abgesetzten Solarkollektor erfolgen kann, ergeben sich hinsichtlich des Wirkungsgrades besonders vorteilhafte Bedingungen, wenn der erste thermochemische Energiespeicher direkt in dem Solarkollektor integriert ist, weil der Solarkollektor in diesem Fall auch mit höheren Temperaturen betrieben werden kann, nachdem die vom ersten Energiespeicher rückführende Sorptivleitung für entsprechend hohe Druckverhältnisse ausgelegt werden kann.
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Wird der wenigstens erste thermochemische Energiespeicher als Solarkollektor ausgeführt, so kann dieser auch zum Kühlen des Sorbens bzw. Sorbats eingesetzt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn der Solarkollektor beispielsweise am Dach eines Hauses angeordnet wird, das tagsüber einer Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist und nachts durch entsprechend kühle Umgebungsluft gekühlt wird. Um diese Kühlung zu verbessern bzw. auch bei anderen Montagesituationen zu ermöglichen, kann der als Solarkollektor ausgebildete thermochemische Energiespeicher eine passive Kühleinrichtung zur Kühlung des enthaltenen Sorbens durch die Umgebungstemperatur aufweisen. Zu diesem Zweck kann der als Solarkollektor ausgebildete thermochemische Energiespeicher beispielsweise eine schaltbare Dämmung aufweisen, die für den Betrieb als Wärmequelle zum Aufheizen des Energiespeichers aktiviert und für den Betrieb als Wärmesenke zum Kühlen des Energiespeichers deaktiviert wird. Alternativ kann der Solarkollektor auch mit einer anderen Wärmesenke gekühlt werden, wie beispielsweise durch die Anbindung an eine Grundwasserkühlung oder Ähnliches.
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Um die nötigen Zyklen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter anderem bei ungünstigen Umgebungsbedingungen zu reduzieren, kann wenigstens ein thermochemischer Energiespeicher mit einem Wärmetauscher zum Heizen bzw. Kühlen des enthaltenen Sorbens über einen gesonderten Heiz- bzw. Kühlkreis versehen sein. Wird der beispielsweise als Solarkollektor ausgebildete erste thermochemische Energiespeicher mit einem zusätzlichen Wärmetauscher ausgerüstet, so kann das dort herrschende Temperaturniveau über eine externe Wärmequelle oder Wärmesenke reguliert werden und damit Phasen von beispielsweise geringer Sonneneinstrahlung ausgeglichen werden. Umgekehrt kann über eine Wärmesenke Wärmeenergie aus dem ersten Energiespeicher abgezogen und beispielsweise für die Warmwasseraufbereitung eingesetzt werden. Dabei muss allerdings darauf geachtet werden, dass der Einsatz eines Wärmetauschers im ersten thermochemischen Energiespeicher üblicherweise eine Reduktion der zulässigen Betriebstemperatur mit sich bringt, weil der Wärmetauscher nur für beschränkte Druckverhältnisse ausgelegt sein wird. Es kann aber auch der zweite thermochemische Energiespeicher mit einem Wärmetauscher versehen werden, um diesen unabhängig vom Sorptivtransport über die Sorptivleitung laden bzw. entladen zu können. Als Wärmequelle für einen solchen zusätzlichen Heiz- oder Kühlkreis kann beispielsweise ein Photovoltaikmodul zum Einsatz kommen, dass elektrisch mit einer Heizpatrone verbunden ist, die in den Heiz- oder Kühlkreis eingebunden ist.
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Damit die Menge des freien Sorptivs in der Sorptivleitung bzw. in den wenigstens zwei thermochemischen Energiespeicher eingestellt werden kann, wird vorgeschlagen, dass in der Sorptivleitung ein mit einem Sorptivspeicher einerseits und einem gesonderten Heiz- bzw. Kühlkreis als Wärmesenke andererseits verbundener Kondensator für das Sorptiv vorgesehen ist. Der Sorptivspeicher kann darüber hinaus einen direkten Anschluss an einen der beiden thermochemischen Energiespeicher umfassen, über den aus der Sorptivleitung abgeschiedenen Sorptiv wieder in den Sorptivkreislauf rückgeführt werden kann.
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Besonders vorteilhafte Bedingungen ergeben sich bei der vorgeschlagenen Erfindung, wenn wenigstens ein thermochemischer Energiespeicher als Heiz- bzw. Kühlkörper für Innenräume ausgebildet ist. Dieser üblicherweise zweite thermochemische Energiespeicher wird zu diesem Zweck nicht isoliert, sodass dieser die Wärme bzw. die Kälte des in ihm gespeicherten Sorbats an die Umgebung abgeben kann. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches kann der Energiespeicher zu diesem Zweck auch mit entsprechenden Oberflächen vergrößernden Elementen wie beispielsweise Kühlrippen ausgerüstet werden.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform
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2 eine zweite Ausführungsform und
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3 eine dritte Ausführungsform dieser Vorrichtung.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst wenigstens einen ersten thermochemischen Energiespeicher 1, der über eine Sorptivleitung 2 mit wenigstens einem zweiten thermochemischen Energiespeicher 3, 4 verbunden ist. Der erste thermochemische Energiespeicher 1 ist dabei einer wiederkehrenden Temperaturschwankung unterworfen, wobei beim Erwärmen Sorptiv aus dem im ersten Energiespeicher enthaltenen Sorbat desorbiert und über die Sorptivleitung 2 ausströmt, während beim Abkühlen des ersten thermochemischen Energiespeichers 1 das Sorptiv aus der Sorptivleitung 2 angesaugt und in das Sorbens des ersten Energiespeichers 1 resorbiert wird. Zu diesem Zweck kann der erste thermochemische Energiespeicher 1 als Solarkollektor 5 ausgebildet sein, über den das enthaltene Sorbens durch Sonneneinstrahlung beheizt und über die Umgebungsluft gekühlt wird.
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Um aus dem ersten thermochemischen Energiespeicher 1 austretendes Sorptiv aus der Sorptivleitung 2 abscheiden zu können, kann in die Sorptivleitung ein Kondensator 6 zwischengeschaltet werden, der mit der Sorptivleitung 2 sowie einem Sorptivspeicher 7 auf der Primärseite und einem gesonderten Heiz- bzw. Kühlkreis als Wärmesenke auf der Sekundärseite verbunden ist. Dieser gesonderte Heiz- bzw. Kühlkreis 8 kann neben einer Wärmesenke 9 eine Heizeinrichtung 10 für den Sorptivspeicher 7 sowie Wärmetauscher 11 in den zweiten Energiespeichern 3 umfassen. In der in der 2 dargestellten Ausführungsform ist zudem ein zusätzlicher Wärmetauscher im Solarkollektor 5 vorgesehen, der ebenfalls an den gesonderten Heiz- bzw. Kühlkreis 8 angebunden ist.
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In der in der 3 dargestellten Ausführungsform bildet der erste thermochemische Energiespeicher 1 keinen Solarkollektor 5, sondern wird über einen Wärmetauscher 12 über einen zusätzlichen Heiz- bzw. Kühlkreis 13 einer Temperaturschwankung unterworfen, wobei der zusätzliche Heiz- bzw. Kühlkreis 13 selbst einen Solarkollektor 14 als Wärmequelle und beispielsweise eine Grundwasserkühlung als Wärmsenke 15 aufweist. Der Solarkollektor 14 kann auch als Photovoltaikmodul ausgebildet sein, das mit einer, in den zusätzliche Heiz- bzw. Kühlkreis 13 eingebundenen Heizpatrone in elektrischer Verbindung steht.
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In allen drei Ausführungsbeispielen ist an die Sorptivleitung 2 zudem wenigstens ein thermochemischer Energiespeicher 4 angeschlossen, der als Heiz- bzw. Kühlkörper für Innenräume ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012003205 U1 [0002]
