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Die Erfindung betrifft eine Papierfabrik und ein Verfahren zur Regelung der Hochtemperaturmedien, zur Herstellung oder Behandlung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn.
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Die Herstellung und Bearbeitung von Faserstoffbahnen erfolgt gemäß dem Stand der Technik.
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Das Dokument
DE10 2015 219379 A1 , offenbart eine Papiermaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Papiermaschine, wobei einem Trocknungsbereich ein Medium zum Trocknen einer Faserstoffbahn zugeführt wird und das Medium stromab des Trocknungsbereichs von dem Trocknungsbereich abgeführt und als Wärmequelle einer Wärmepumpe zugeführt wird, mittels welcher das Medium stromauf des Trocknungsbereichs erwärmt wird.
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Das Dokument
WO2020 079326 A1 , offenbart einen Wärmepumpeneinsatz in einen Umluftsystem und ein Umluftverfahren für eine Trockenpartie einer Karton- oder Papiermaschine. Die Anlage umfasst dabei mindestens drei in Laufrichtung eines bahnförmigen Materials hintereinander an eine Trockenpartiehaube angeschlossene Luftrückführungsteile. Jeder Umluftteil umfasst eine oder mehrere Wärmerückgewinnungseinheiten. Jede Wärmerückgewinnungseinheit umfasst ein Umluftgebläse zum Ansaugen von feuchter Abluft aus der Trockenpartiehaube durch die Wärmerückgewinnungseinheit und zum Zuführen zumindest einen Teil der konditionierten feuchten Abluft zur Trockenpartiehaube und einen Luft-Fluid-Wärmetauscher zum Konditionieren der feuchten Abluft durch Kühlen und Reduzieren eines Feuchtigkeitsgehalts der feuchten Abluft.
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Die Verwendung von Wärmepumpen in einer Trockenpartie einer Papiermaschine zur Energierückgewinnung ist bekannt und wir auch in den folgenden Dokumenten offenbart. Das Dokument
DE10 2007 051165 A1 , offenbart eine Papiermaschine mit einer Nasspartie und einer Trockenpartie, wobei in der Trockenpartie ein Trocknungsabschnitt und eine Trockenpartiehaube für die Papierbahn vorgesehen ist. Dabei wird Energie aus der Abluft der Trockenpartie zur Erwärmung der Papierbahn in einer in der Nasspartie angeordneten Erwärmvorrichtung verwendet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.
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Das Dokument
DE2630853 A1 , 1976, offenbart eine Trockenpartie für eine Papiermaschine, wobei eine Wärmepumpe zwischen der Eingangsleitung mit frischer, heißer Zuluft und der Ausgangsleitung mit feuchter Abluft geschalten ist und wobei dadurch eine Energierückgewinnung aus der Abluft und Übertragung der Energie auf die Eingangsleitung der Trockenpartie ermöglicht wird.
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Weiterhin sind verschiedene Bauarten von Trocknungsvorrichtungen wie bspw. Wärmestrahlungstrockenvorrichtungen oder Konvektionstrockenvorrichtungen bekannt. Dazu zählen in der Papierindustrie sehr oft gasbetriebene Infrarot (IR) und Lufttrocknungsvorrichtungen. Auch sind elektrisch und/oder mit Wasserstoff beheizter Infrarot (IR) Trockenabschnitte bekannt. Das Dokument
US2007 235152 AA , 2007, offenbart eine Streichmaschine für eine Papierbahn mit kontaktlosen Trockenabschnitten, vorzugsweise gasbetriebenen Infrarot- und/oder Lufttrockner sowie elektrisch betriebene Infrarot- und/oder Lufttrockner.
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Das Dokument
DE10 2017 109152 A1 offenbart eine Infrarot-Strahler für die Wärmebehandlung einer Materialbahn.
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Zur Trocknung des Strichauftrags von beschichteten Faserstoffbahnen oder Hygienepapieren in der Papierindustrie werden derzeit Lufttrocknungsvorrichtungen eingesetzt. Die Erzeugung von Heißluft für die Lufttrocknungsvorrichtungen erfolgt typischerweise entweder durch Dampfheizregister, vorzugsweise Hochdruck-Dampfheizregister, oder Gasbrenner. Im Falle eines Dampfeinsatzes wird auch dieser oft einem mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeuger, beispielsweise einem Gas- und Dampf-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk) entnommen.
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Die heiße Luft oder Hochtemperaturmedien besitzt üblicherweise eine Eintrittstemperatur von größer als 180°C, teilweise auch nur größer als 100°C und kann beispielsweise bis zu 650°C betragen. Im unteren Temperaturbereich werden heute üblicherweise Dampf-Lufterhitzer, Thermoöl-Lufterhitzer oder Gasbrenner eingesetzt, im oberen Temperaturbereich überwiegend Gasbrenner, seltener Thermoöl-Lufterhitzer.
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Die genannten bisherigen Lösungen besitzen jedoch eine Reihe von Nachteilen.
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Die Anlagen haben einen hohen Bedarf an fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdgas, mit den zu erwartenden Nachteilen in Bezug auf Kosten. Wobei die steigenden Beschaffungskosten und auch die immer strengeren C02-Auflagen und CO2-Abgaben einen entscheidenden Anteil an den Herstellungskosten einnehmen. Weiter sind durch globale Krisen oft die Verfügbarkeit und auch die Reputation im Hinblick auf die Auswirkungen auf das globale Klima weitere wichtige Gesichtspunkte.
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Weiterhin ist der reine Einsatz einer Wärmepumpe innerhalb einer Trockenpartie, sozusagen ein Umluftbetrieb, eine energetisch gesehene ungünstige Anordnung, da normalerweise das, der am Anfang der Trockenpartie zugeführte Medium zur Trocknung der Papierbahn die Energie benötigt die Papierbahn zu trocknen. Eine Zuführung von überschüssiger Energie am Anfang einer Trockenpartie, um eine Wärmepumpe zu betreiben, stellt sich als wenig effizient dar.
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Ein weiterer nachteiliger Aspekt ist, dass die Wärmepumpen in der Bereitstellung der benötigten erhöhten Energielevel unter dem Gesichtspunkt des effizientes Betriebspunktes (COP) begrenzt sind. Dies resultiert dann in einer begrenzten Aufheiztemperatur durch die Wärmepumpe.
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Verbrennungsprozesse in der Papierindustrie, z.B. zur Erzeugung von Heißluft für Trocknungsprozesse, verwenden in der Regel fossile Brennstoffe. Diese werden verbrauchsabhängig einem Netz, Speicher oder Vorrat entnommen und zu bestimmten Einkaufspreisen vom Verbraucher eingekauft. Stromnetze in Ländern mit einem hohen Anteil an erneuerbaren, wenig regelbaren Energien, wie beispielsweise Photovoltaik und Windkraft sind stark belastet und in Zeiten großer Erzeugungsleistung gibt es die Notwendigkeit, überschüssigen Strom an Nachbarländer abzugeben - teilweise gegen Zahlung von Abnahmegebühren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine verstärkte Abnahme von Strom aus dem Netz in Zeiten eines Stromüberschusses kann eine Stabilisierung des Stromnetzes erreicht werden und ein volkswirtschaftlicher Verlust durch kostenlose Abgabe von Strom und ggf. Zahlung von Abnahmegebühren verhindert werden. Der Papierindustrie wird eine CO2-neutrale Produktion von Hochtemperaturprozessen bei stabiler Versorgungssituation und geringen Verbrauchskosten ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dem Bedarf an fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdgas, bei der Trocknung von gestrichenen Papieren und Tissuepapier, deutlich zu reduzieren und/oder komplett darauf zu verzichten. Die Betriebskosten werden dadurch deutlich reduziert, ebenso die Gefahr einer Abhängigkeit von einem Verbrauchsmedium oder Versorger.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Maschine und ein Verfahren entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen
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Die erfindungsgemäße Papiermaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die für die Papiermaschine benötigten an Hochtemperaturmedien, vorzugsweise heiße Luft, mindestens einem Elektrolyseur und/oder einem Methaniseur, einem Speicher für erzeugtes Gas, vorzugsweise Wasserstoff und/oder Methan, und einem Verbrennungsaggregat, vorzugsweise eine Brennstoffzelle umfasst.
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In Zeiten mit Netzstromüberschuß durch die erneuerbaren Energien wird über den Elektrolyseur Wasserstoff und/oder über den Methaniseur Methan erzeugt und gespeichert. Der erzeugte bzw. gespeicherte Wasserstoff und/oder das gespeicherte Methan wird bei Netzstromunterversorgung durch erneuerbare Energien verwendet, um Verbrennungsprozesse in der Papiermaschine zu versorgen. Dies kann ausschließlich oder ergänzend zu anderen Brennstoffen erfolgen. Alternativ kann über eine Brennstoffzelle wieder Strom erzeugt werden, welcher zur Versorgung elektrischer Bauteile in der Papiermaschine oder dem Elektrolyseur und/oder dem Methaniseur zugeführt wird.
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Regelungsverfahren, mit dem erreicht wird, dass bei Netzstromüberschuß oder niedrigen Stromkosten im Vergleich zu anderen Brennstoffkosten, bzw. einem Mangel an anderen Brennstoffen, die Prozessführung über die Gaserzeugung bevorzugt wird. Vorteilhaft wird dadurch eine Optimierung und Minimierung der Prozesskosten der Papiermaschine erreicht.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung - soweit dies technisch sinnvoll ist- miteinander kombiniert sein können.
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Korrespondierende Elemente der Ausführungsbeispiele in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Funktionen solcher Elemente in den einzelnen Figuren entsprechen einander, sofern nichts anderes beschrieben ist und es nicht zu Widersprüchen führt. Auf eine wiederholte Beschreibung wird daher verzichtet.
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Es wird auch darauf hingewiesen, dass die sich unterscheidenden Merkmale der gezeigten Ausführungsbeispiele gegeneinander ausgetauscht und miteinander kombiniert werden können. Die Erfindung ist daher nicht auf die gezeigten Merkmalskombinationen der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand folgender Figuren erläutert.
- 1 bis 4 zeigen erfindungsgemäße, schematisch dargestellte Anordnungen umfassend einen Elektrolyseur und/oder einem Methaniseur in einer Papierfabrik;
- 1 zeigt eine Anordnung umfassend einen Elektrolyseur, einem Methaniseur, eine Brennstoffzelle und je einen Speicher in einer Papierfabrik;
- 2 zeigt eine Anordnung umfassend einen Elektrolyseur, eine Brennstoffzelle und einen Wasserstoff-Speicher in einer Papierfabrik;
- 3 zeigt eine Anordnung umfassend einen Elektrolyseur und einen Wasserstoff-Speicher und der Verwendung des Wasserstoffs in einen GuD-Kraftwerk in einer Papierfabrik;
- 4 zeigt eine Anordnung umfassend einem Methaniseur, eine Brennstoffzelle und einen Methan-Speicher in einer Papierfabrik.
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Die 1 bis 4 verdeutlichen, in schematisiert und stark vereinfachter Darstellung, den Grundaufbau und die Grundfunktion einer erfindungsgemäß ausgeführten Papierfabrik 1.
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In einer in der Papierfabrik 1 umfassten Papiermaschine 10 und/oder Stoffaufbereitung 10 sind mehrere Heizvorrichtungen 2, 3 umfasst. Diese Heizvorrichtungen werden über brennbare Energieträger 2 und/oder einen elektrischen Energieträger 3 versorgt.
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Dabei wird der elektrische Energieträger 80, bzw. Strom 80, extern bereitgestellt, vorzugsweise aus erneuerbaren Energieproduktion zugekauft, oder Papierfabrik intern über ein eigenes GuD-Kraftwerk 30 hergestellt.
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Auch kann der Strom 80 über eine Papierfabrik interne Photovoltaik-Anlage 40 oder Windkraftanlage 40 hergestellt werden.
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Die elektrischen Heizvorrichtungen 3 werden über eine Zuleitung 81 versorgt.
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Die Verbrennungs-Heizeinrichtungen 2 werden über eine Zuleitung 51 für einen brennbaren Energieträger 50 versorgt. Der brennbare Energieträger 50 ist dabei vorzugsweise Gas 50, insbesondere Wasserstoff 50 und/oder Methan 50.
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Der brennbare Energieträger 50, vorzugsweise Gas 50, wird üblicherweise extern zur Verfügung gestellt.
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Die Papierfabrik 1 umfasst weiter einen Elektrolyseur 60 zur Herstellung von Wasserstoff 50 mit erneuerbarem Strom 80 und/oder einen Wasserstoff-Speicher 62.
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Der hergestellte Wasserstoff kann entweder über eine direkte Zuleitung 61 in das Verteilsystem bzw. die Zuleitung 51 für die mit brennbaren Energieträgern versorgten Heizvorrichtungen 2 eingeleitet werden. Alternativ wird der Wasserstoff über eine Zuleitung 63 in den Wasserstoff-Speicher 62 und aus dem Wasserstoff-Speicher über eine weitere Zuleitung 65 in die Zuleitung 61 geführt.
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Alternativ oder kombiniert kann aus dem Wasserstoff-Speicher 62 über eine weitere Zuleitung 64 eine umfasste Brennstoffzelle 90 versorgt werden, welche einen elektrischen Strom erzeugen kann. Dieser wird über eine elektrische Zuleitung 91 in das Papierfabrik interne elektrische Energieträger System 81 eingespeist und kann damit die elektrischen Heizvorrichtungen 3 versorgen.
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Optional kann ein Batteriespeichersystem 92, insbesondere eine Redox-Flow Batterie 92 oder eine Lithium-Ionen-Batterie 92, vorgesehen sein, welches die erzeugte elektrische Energie der Brennstoffzelle 90 und/oder einer Papierfabrik 1 internen erneuerbaren Energieproduktionsanlage 40 zwischenspeichert.
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Alternativ oder in Kombination mit einem Elektrolyseur 60 kann die Papierfabrik 1 einen Methaniseur 70 zur Herstellung von Methan 50 mit erneuerbarem Strom 80 und/oder einen Methan-Speicher 72 umfassen.
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Das hergestellte Methan kann entweder über eine direkte Zuleitung 71 in das Verteilsystem bzw. die Zuleitung 51 für die mit brennbaren Energieträgern versorgten Heizvorrichtungen 2 eingeleitet werden. Alternativ wird das Methan über eine Zuleitung 73 in den Methan-Speicher 72 und aus dem Methan-Speicher 72 über eine weitere Zuleitung 75 in die Zuleitung 71 geführt.
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Alternativ oder kombiniert kann aus dem Methan-Speicher 72 über eine weitere Zuleitung 74 eine umfasste Brennstoffzelle 90 versorgt werden, welche einen elektrischen Strom erzeugen kann.
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Eine zweiter, dritter oder weitere Heizvorrichtung 2, 3 kann alternativ ein Elektroheizregister, ein Wasserstoff-Gasbrenner, oder auch ein (Hochdruck)-Dampfheizregister oder ein Thermoöl-Heizregister sein, sofern die Medien ausschließlich oder bevorzugt elektrisch erzeugt bzw. erwärmt werden, um eine CO2 Neutralität beim Betrieb der Papierfabrik 1, vorzugsweise der Papiermaschine 10 oder der Stoffaufbereitung 10, zu erreichen.
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Die Heizvorrichtung 2, 3 wird dabei als Heizvorrichtung 2 bzw. Verbrennungsvorrichtung 2 mit brennbaren Energieträgern 50 oder als Heizvorrichtung 3 mit elektrischem Strom 80 als Energieträger ausgeführt.
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Eine Heizvorrichtung 2 mit brennbaren Energieträgern 50 nutzt vorzugsweise Gas 50, insbesondere Wasserstoff 50 und/oder Methan 50, als Energieträger.
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Die Heizvorrichtungen 2 sind dabei typischerweise Heiß-Luft-Trockenstrecken mit Brennern.
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Beispielsweise sind bei Tissuepapierfabriken und den entsprechenden Maschinen, Heizvorrichtungen oder Trockenstrecken mit installierten Leistungen, vorzugsweise Gas-Leistungen, im Bereich von einschließlich 1,8MW bis einschließlich 5,5MW vorgesehen. Dabei kann die Heizvorrichtung 2, 3 beispielsweise als eine Hochleistungshaube an einem Yankee Trockenzylinder ausgeführt sein.
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2 zeigt eine weitere alternative Anordnung umfassend einen Elektrolyseur 60, eine Brennstoffzelle 90 und einen Wasserstoff-Speicher 62 in einer Papierfabrik. Dabei erfolgt die Versorgung der Heizvorrichtungen 2, 3 alternativ über Wasserstoff und/oder erneuerbarem Strom.
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3 zeigt eine weitere alternative Anordnung umfassend einen Elektrolyseur 60 und einen Wasserstoff-Speicher 62 und der Verwendung des Wasserstoffs in einen GuD-Kraftwerk 30 in einer Papierfabrik für die Erzeugung von CO2 neutralem Strom und Wärme in Form von Dampf.
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4 zeigt eine weitere alternative Anordnung umfassend einem Methaniseur 70, eine Brennstoffzelle 90 und einen Methan-Speicher 72 in einer Papierfabrik. Weiterhin ist eine Papierfabrik 1 interne erneuerbare Energieproduktionsanlage 40 vorgesehen.
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Beispielsweise sind bei Papier- oder Kartonfabriken und den entsprechenden Maschinen, Heizvorrichtungen oder Trockenstrecken mit installierten Leistungen, vorzugsweise Gas-Leistungen, im Bereich von einschließlich 0,5MW bis einschließlich 5MW vorgesehen. Dabei kann die Heizvorrichtung 2, 3 beispielsweise als eine Heiß-Luft-Trockenstrecke, vorzugsweise als ein Schwebetrockenstrecke, ausgeführt sein.
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Alternativ kann die die Heizvorrichtung 2, 3 als ein von Gas-Infrarot-(IR)-Trockenstrecke, mit installierten Leistungen im Bereich von einschließlich 0,5MW bis einschließlich 8MW ausgeführt sein.
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Alternativ sind auch kombinierte Heizvorrichtungen 2, 3 denkbar, welche beispielsweise eine IR-Trockenstrecke und eine Heuß-Luft-Trockenstrecke kombinieren.
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Alternativ sind auch kombinierte Heizvorrichtungen 2, 3 denkbar, welche beispielsweise eine Erwärmung mit elektrische Energie 80 und einem brennbaren Energieträgern 50 kombinieren.
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Alternativ kann die erfindungsgemäße Papierfabrik und das Verfahren für den Betrieb der Papierfabrik nur einen Teil der für den Prozess benötigten Wärmeenergie bereitstellen und in Verbindung mit anderen Wärmeerzeugern und/oder Wärmeübertragern wie Wärmetauschern, vorzugsweise Dampf-, Thermoöl-, oder anderen Medien betrieben, mit Wärmepumpen oder Elektro-Erhitzern, beispielsweise elektrischen Lufterhitzern, eingesetzt werden.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungs- und Speicherprozess kann auch für die grundsätzliche Energieversorgung einer Papierfabrik 1 unter Nutzung einer im energetischen Bilanzraum der Papierfabrik 1 angeordneten Gas- und Dampf-Kraftwerk 30 mit einer Gasturbine oder für die Dampferzeugung eingesetzt werden, wobei der erzeugte brennbare Energieträger 50 zum Betrieb der Gasturbine genutzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Papierfabrik
- 2
- Verbrennungs- / Heizvorrichtung, vorzugsweise kontaktlose Trockenstrecke
- 3
- elektrische Heizvorrichtung, vorzugsweise kontaktlose Trockenstrecke oder Lufterhitzer
- 10
- Papiermaschine und/oder Stoffaufbereitung
- 30
- GuD-Kraftwerk der Papierfabrik
- 40
- Erneuerbare Energieproduktionsvorrichtung, vorzugsweise Photovoltaik oder Windkraft
- 50
- externe Gasversorgung Papierfabrik
- 51
- Zuleitung-Energieträger, Gas für Verbrennungsvorrichtungen
- 60
- Elektrolyseur
- 61
- Zuleitung-Wasserstoff in Gasversorgung
- 62
- Wasserstoff-Speicher
- 63
- Leitung Elektrolyseur zu Wasserstoff-Speicher
- 64
- Leitung Wasserstoff-Speicher zu Brennstoffzelle
- 65
- Leitung Wasserstoff-Speicher zu Gasversorgung
- 70
- Methaniseur
- 71
- Zuleitung-Methan in Gasversorgung
- 72
- Methan-Speicher
- 73
- Leitung Methaniseur zu Methan-Speicher
- 74
- Leitung Methan-Speicher zu Brennstoffzelle
- 75
- Leitung Methan-Speicher zu Gasversorgung
- 80
- externe elektrische Energieversorgung Papierfabrik
- 81
- Zuleitung-Energieträger, Strom für Heizvorrichtungen
- 90
- Brennstoffzelle
- 91
- elektrische Leitung Brennstoffzelle zur elektrischen Energieversorgung
- 92
- Strom-Speicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219379 A1 [0003]
- WO 2020079326 A1 [0004]
- DE 102007051165 A1 [0005]
- DE 2630853 A1 [0006]
- US 2007235152 AA [0007]
- DE 102017109152 A1 [0008]
