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Verfahren zum Erhitzen eines Wärme trägers
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mit einer Hydrid-Wärmepumpe Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Erhitzen eines Wärmeträgers mit einer Hydrid-Wärmepumpe, wobei Wasserstoff aus
einem ersten Hydridspeicher bei niedrigem Druck durch Wärmezufuhr auf niedrigem
Temperaturniveau desorbiert, zu einem zweiten Hydridsystem transportiert, von diesem
bei hohem Druck absorbiert und die dabei auf hohem Temperaturniveau freiwerdende
Bildungswärme auf den Wärmeträger übertragen wird.
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Einige Metalle und Metallegierungen verbinden sich mit Wasserstoff
zu Metallhydriden. Wird gasfDrmiger Wasserstoff mit einem geeigneten Metall oder
einer geeigneten Metalllegierung zusammengebracht, so werden die Wasserstoffmolekühle
zunächst an der Oberfläche des Metalls adsorbiert.
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Dort dissoziieren die Wasserstoffmoleküle in Atome1 die in das Kristallgitter
eindringen1 bis das Metall mit Wasserstoff gesättigt ist.Wird mehr Wasserstoff zugeführt,
so bricht die Kristallstruktur des Metalls an einigen Stellen und es bildet sich
eine neue Kristallstruktur, die Metall-Hydrid-Phase. Metallhydride können wieder
in gasförmigen Wasserstoff und Metall zerfallen. Ob die Zerfallsreaktion oder die
Hydridbildungsreaktion abläuft; hängt bei einer
gegebenen Temperatur
nur vom Druck des Wasserstoffs ab.
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Die bei der Bildung und Zersetzung von Metallhydriden freiwerdenden
und aufgewendeten Wärmemengen ermöglichen den Betrieb von Wärmepumpen auf der Basis
von Metallhydriden.
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Hierzu dient ein erstes Hydridsystem, das sich bei niedriger Temperatur
und niedrigem Druck in Metall und Wasserstoff zersetzt. Dabei wird Wärme verbraucht.
Der desorbierte Wasserstoff wird auf hohen Druck gebracht und einem weiteren Hydridsystem
zugeführt, das mit dem Wasserstoff bei höherer Temperatur unter Abgabe von Bildungswärme
reagiert.
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Um den Wasserstoff auf hohen Druck zu bringen, wird bisher das erste
Hydridsystem bei einer relativ niedrigen Temperatur erhitzt. Dabei wird Wasserstoff
desorbiert, der dann in dem (geschlossenen) ersten Hydridspeicher unter hohem Druck
steht und unter diesem Druck in den ehydrierten) weiteren Hydridspeicher eingeleitet
wird.
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Bei dieser Verfahrensweise müssen Hydridsysteme aus verschiedenen
Metallen bzw. Metallegierungen verwendet werden.
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Hierbei ergeben sich aber Schwierigkeiten bei der Auswahl und Abstimmung
dieser zwei verschiedenen Hydridsysteme.
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Metallhydride neigen zum Zerfallen. Es wurde festgestellt, daß es
schwierig ist, zwei passende Metalle bzw. Metalllegierungen zu finden, die beide
beständig sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem auf einfache und sichere Weise Wärme
mittels einer Hydridwärmepumpe auf ein hohes Temperaturniveau gebracht und auf einen
Wärmeträger übertragen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der desorbierte
Wasserstoff in einem Verdichter auf den hohen
Druck gebracht und
dem weiteren Hydridspeicher zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß wird der desorbierte Wasserstoff nicht durch Erhitzen
eines Hydridspeichers auf hohen Druck gebracht, sondern mechanisch mittels eines
Verdichters0 Erscheint die Verwendung eines Kompressors auf den ersten Blick wegen
der aufzuwendenden Verdichtungsenergie wenig sinnvoll zu sein, so ist festzustellen;
daß die Energie zum Verdichten des Wasserstoffs im Vergleich zu den außerordentlich
großen Bildungswärmen gering ist. Erfindungsgemäß kann dieser Energiebeitrag zudem
durch eine der Verdichtung vorausgehende Kühlung besonders klein gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich nun als besonders vorteilhaft1 da für
beide Hydridspeicher das gleiche Material eingesetzt werden kann. Es ist also nicht
erforderlich, zwei verschiedene, thermodynamisch aufeinander abgestimmte Hydridsysteme
suchen zu müssen. Eine wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, daß das verwendete Hydrid frei wählbar ist und eine hohe mechanische Festigkeit
besitzen kann.
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So zerfällt das Hydridmaterial der beiden erfindungsgemäßen Hydridspeicher
nicht. Daher kann vorteilhafterweise aus dem hydrierbaren Material z.B. ein Rohr
geformt werden, das Teil eines Wärmetauschers ist.
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Erfindungsgemäß kann Wärme bei hohen Temperaturen mit gutem thermodynamischem
Wirkungsgrad über eine große Temperaturspanne angehoben werden. Grundsätzlich ist
es möglich, den desorbierten Wasserstoff auf beliebige Weise zu kühlen, anschließend
zu komprimieren und direkt in das weitere Hydridsystem einzuleiten. In einer vorteilhaften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch der desorbierte Wasserstoff
zunächst im Wärmetausch mit komprimiertem Wasserstoff und anschließend mittels Wasser
gekühlt, wobei der komprimierte Wasserstoff vor dem Wärmetausch mit sich selbst
durch
Wasser gekühlt wird.
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Auf diese Weise ist es möglich, auf relativ hohem Temperaturniveau
anfallende Abwärme wirtschaftlich zu nutzen. Durch den Wärmetausch mit sich selbst
kann der desorbierte Wasserstoff vor der Kompression auf ein niedriges Temperaturniveau
abgesenkt und mittels Wasser auf Umgebungstemperatur gekühlt werden. Nach der Kompression
wird der Wasserstoff im Wärmetausch mit desorbiertem Wasserstoff wieder bis in die
Nähe der Desorptionstemperatur erhitzt. Um den desorbierten Wasserstoff im Wärmetausch
mit sich selbst möglichst weit abzukühlen, ist es erforderlich, die dem Wasserstoff
zugeführte Kompressionswärme abzuführen. Dazu wird der Wasserstoff nach der Kompression
und vor dem Wärmetausch mit sich selbst gekühlt.
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Grundsätzlich kann Wasserstoff aus einem Hydridspeicher bei niedrigem
Druck durch Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau desorbiert und nach beendeter
Desorption erneut in diesem Hydridspeicher bei hohem Druck und unter Bildung hochtemperierter
Wärme eingeleitet-werden. In diesem Fall reicht ein Hydridspeicher aus.
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Ein einziger Hydridspeicher ermöglicht jedoch nur eine diskontinuierliche
Verfahrensweise.
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Erfindungsgemäß werden daher bevorzugt zwei mit gleichem Hydridmaterial
gefüllte Hydridspeicher verwendet. Dabei wird nach einem Merkmal des Erfindungsgedankens
nach Beendigung des Desorptionsvorganges im ersten Hydridspeicher bzw.
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des Absorptionsvorganges im zweiten Hydridspeicher ein Funktionswechsel
vorgenommen und damit ein kontinuierlicher Betrieb ermöglicht. Dabei wird der zweite
Hydridspeicher auf den Vordruck des Verdichters, der erste Hydridspeicher auf den
Nachdruck des Verdichters gebracht und Wasserstoff
nunmehr vom zweiten
Hydridspeicher desorbiert und vom ersten absorbiert. Da beide Hydridspeicher mit
dem gleichen Hydridmaterial ausgerüstet sind1 kann der Wasserstoff aus beiden Hydridsysternen
vorteilhafterweise durch die gleiche Abwärmequelle desorbiert werden. Aus diesem
Grund wird auch die bei der Hydridbildung freiwerdende Bildungswärme stets auf dem
gleichen Temperaturniveau geliefert.
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Nach einer Variante des Erfindungsgedankens ist es von Vorteil, sensible
Wärme des jeweils beladenen Hydridsystems beim Funktionswechsel auf das andere Hydridsystem
zu übertragen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält zwei Hydridsysteme
mit je einem Strömungsquerschnitt für einen Wärmetauscher und je einem Strömungsquerschnitt
für Wasserstoff. Dabei ist der Strömungsquerschnitt für Wasserstoff des mit Wasserstoff
beladenen Hydridsystems über eine Leitung, einen Strömungsquerschnitt eines Rekuperators
und einen Kühler an den Eingang eines Kompressors angeschlossen.
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Dessen Ausgang mündet über einen weiteren Kühler, einen weiteren Strömungsquerschnitt
des Rekuperators sowie eine Eingangsleitung in den Strömungsquerschnitt für Wasserstoff
des dehydrierten Hydridsystems. Wie bereits geschildert, braucht das gewählte Hydridmaterial
beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht zerfallen. Es ist daher von besonderem Vorteil,
wenn gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise jedes Hydridsystem
ein gewickelter Wärmetauscher ist, wobei der Strömungsquerschnitt für Wasserstoff
ein Rohr aus hydrierbarem Material ist, das auf seiner Außenseite mit einem wasserstoffundurchlässigen
und druckfesten Mantel versehen ist. In dieser Variante besitzt der Hydridabsorber
folglich die Form eines Wärmetauschers und ist aus Rohren eines geeigneten Hydridmaterials
aufgebaut.
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Dabei wird z.B. der leicht druckfest zu gestaltende Innen-
querschnitt
zur Zu- und Ableitung des freigesetzten bzw.
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zu bindenden Wasserstoffs und der Außenquerschnitt zur Wärmezufuhr
bzw. Wärmeabfuhr über ein geeignetes Fluid verwendet.
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Da es bei der Hydratbildung zu einer Volumenzunahme kommen kann, könnten
im Innern eines rohrförmigen Mantels erhebliche Spannungen auftreten. Daher kann
es zweckmäßig sein, das hydrierbare Material auf der Außenseite des Druckmantels
anzubringen. In dieser Variante erfolgt die Wärmeabfuhr über den Innenquerschnitt.
Eine Volumenzunahme des hydrierbaren Materials bereitet in diesem Fall keine Schwierigkeiten.
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Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden: In der Skizze sind zwei Reaktoren
1 und 2 dargestellt.
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Als hydrierbares Material wird in beiden Reaktoren beispielsweise
Magnesium verwendet, das mit Wasserstoff Magnesiumhydrid MgH2 bildet. Im Reaktor
1 soll MgH2 vorliegen. Dieser Reaktor wird nun erhitzt und zwar durch Abwärme eines
Temperaturniveaus von 566 K. Bezogen auf den Nm3 Wasserstoff werden 843 Kal dieses
Temperaturniveaus dem Reaktor 1 zugeführt. Die Wärmezufuhr wird in der Skizze durch
eine Heizschlange 9 symbolisiert, obwohl beide Reaktoren 1 und 2 als gewickelte
Wärmetauscher ausgebildet sein können, bei denen der Wasserstoff durch einen Rohrinnenquerschnitt
und das die Abwärme liefernde Fluid im AuBenquerschnitt geführt wird. Ist der Reaktor
1 auf das geeignete Temperaturniveau gebracht worden, wird Wasserstoff desorbiert.
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Dieser verläßt den Reaktor mit 566 K und einem Druck von 1,1 ata über
eine Leitung 3. Um den Wasserstoff leicht verdichten zu können, wird dieser gekühlt,
ehe er in einem Kompressor 4 auf ca. 12 ata verdichtet wird. Der Wasserstoff
wird
zu diesem Zweck zunächst im Wärmetausch mit sich selbst (nach der Kompression im
Kompressor 4 sowie nach Ableiten der Kompressionswärme in einem Wärmetauscher 7)
auf ca.
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313 K und anschließend durch Kühlwasser in einem Wärmetauscher 6 auf
293 K gekühlt1 wobei in diesem Wärmetauscher 6,8 Kalorien abgeleitet werden. Zur
Kompression müssen pro Nm3 Wasserstoff 98,8 Kalorien aufgebracht werden.
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90 Kalorien werden im nachfolgenden Wärmetauscher 7 an Kühlwasser
abgegeben. Aus diesem Wärmetauscher tritt der Wasserstoff mit einer Temperatur von
293 K und einem Druck von 12 ata aus. Im Wärmetauscher 5 wird dieser Wasserstoff
im Wärmetausch mit abzukühlendem Wasserstoff aus dem Reaktor 1 wieder auf 546 K
angewärmt und tritt anschließend über eine Leitung 10 in Reaktor 2 ein. Dort wird
der Wasserstoff vom Magnesium in diesem Reaktor absorbiert unter Bildung von Magnesiumhydrid.
Die dabei freiwerdende Absorptionswärme von 836,8 Kalorien/Nm3 H2 wird bei einer
Temperatur von 658 K aus dem Reaktor 2 ausgekoppelt. Symbolisch ist in der Skizze
eine Wärmetauschschlange eingezeichnet, obwohl, wie bereits erläutert, auch dieser
Reaktor 1 als gewickelter Wärmetauscher ausgebildet sein kann.
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Ist Reaktor 2 beladen, muß umgeschaltet werden, wodurch die beiden
Reaktoren 1 und 2 ihre Funktionen tauschen.
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Zu diesem Zweck muß Reaktor 2 gekühlt und Reaktor 1 auf höheres Temperaturniveau
gebracht werden. Da dieser Vorgang eine gewisse Zeitspanne dauert1 wird durch ihn
eine Störung in die Kontinuität des Verfahrensablaufs gebracht.
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Um diese möglichst klein zu halten, kann ein Temperaturausgleich der
beiden Reaktoren 1 und 2 beispielsweise mit tels zweier Heizschlangen 11, 12 von
denen je eine in jedem Reaktor angeordnet ist, bewirkt werden. Dazu sind beide Heizschlangen
11, 12 über Leitungen 13, 14 sowie eine Umwälzeinrichtung 15 zu einem Kreislaufsystem
zusammengeschaltet. Wird ein geeignetes Fluid in diesem geschlos senen Kreislaufsystem
umgewälzt, wird ein Temperaturaus-
gleich zwischen dem ursprünglich
heißen Reaktor 2 und dem vergleichsweise kalten Reaktor 1 ausgeführt. Anschließend
wird Reaktor 1 über eine nichtdargestellte Umschaltvorrichtung an Leitung 10 und
Reaktor 2 an Leitung 3 angeschlossen. Ebenso wird nun der Abwärmestrom von ca. 566
K durch Reaktor 2 geleitet, während Reaktor 1 die Wärme des hohen Temperaturniveaus
von 658 K entnommen wird. Wie diesem Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, ist die
für den Kompressor aufzuwendende Energie im Vergleich zu den Bildungswärmen sehr
gering.
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Es kann auch vorteilhaft sein, vor dem Funktionswechsel der Reaktoren
1 und 2 einen Druckausgleich zwischen ihnen herbeizuführen. Auch hierdurch wird
Reaktor 2 durch Desorbieren von H2 gekühlt und Reaktor 1 durch absorbierenden H2
erwärmt.
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In der Skizze ist schließlich ein Gasspeicher 16 dargestellt, der
über eine Leitung 17 an die Saugleitung des Kompressors 4 angeschlossen ist. Dieser
Gasspeicher dient einerseits als Vorratsbehälter für Wasserstoff und ermöglicht
es, unvermeidbare Gasinhaltsschwankungen des Systems aufzunehmen.
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Wird beispielsweise bei einem Funktionswechsel der Druck des beladenen
Hydridspeichers gesenkt, so setzt zunächst eine starke Gasentwicklung ein, die durch
den Gasspeicher 16 ausgeglichen werden kann.
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Bezogen auf Umgebungstemperatur 3000K wird in die Wärmepumpe eine
Exergie IE = 843 566-300 = 396,2 Kalorien sowie 566 die Kompressionsenergie 1k =
98,9 Kalorien, zusammen also 495,1 Kalorien/Nm3 H2 eingebracht.
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Die Exergie des von der Wärmepumpe gelieferten Wärmestroms
errechnet
sich zu I = 836,8 X 658 - 300 = 455,3 Kalorien, A 658 so daß sich der thermodynamische
Wirkungsgrad ?? zu # = 455,3 = 495,1 Die Leistungsziffer # dieser Wärmepumpe beträgt
# = 836,8 = 8,46 bei einem Temperaturintervall z t von 98 , 9 at = 658 - 566 = 92
K.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf einfache und sichere Weise relativ große Wärmemengen mit sehr gutem Wirkungsgrad
und auch bei hohen Temperaturen übertragen werden können.
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