EP3538237A1 - Verfahren und vorrichtung zum kühlen eines fluidstroms einer elektrolyseeinheit und zur wassergewinnung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kühlen eines fluidstroms einer elektrolyseeinheit und zur wassergewinnung

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EP3538237A1
EP3538237A1 EP17836027.7A EP17836027A EP3538237A1 EP 3538237 A1 EP3538237 A1 EP 3538237A1 EP 17836027 A EP17836027 A EP 17836027A EP 3538237 A1 EP3538237 A1 EP 3538237A1
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EP
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water
unit
air
raw water
electrolysis
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Withdrawn
Application number
EP17836027.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Hanebuth
Andreas Reiner
Knut Siegert
Markus Ungerer
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a fluid flow of an electrolysis unit and the extraction of water.
  • Demand for electricity fluctuates strongly over the course of the day.
  • Electricity generation also fluctuates with increasing share of electricity from renewable energies during the course of the day.
  • controllable power plants or storage facilities that store this energy can be used.
  • electrolysis is an attractive option in particular.
  • water is decomposed into the components hydrogen and oxygen in the event of an oversupply of electricity.
  • Hydrogen and Sauer ⁇ material can then be stored. You again need energy, so you can testify current ER in particular by means of an internal ⁇ fabric cell, in turn, from hydrogen and oxygen.
  • a favorable and technically robustdesys ⁇ tem for performing the water electrolysis is required to dissipate the waste heat always generated during the electrolysis. Especially in tropical and subtropical regions, it is difficult to dissipate the electrolysis waste heat.
  • a waste heat in the range between 60 ° C to 100 ° C at.
  • a pure cooling by means of ambient air is difficult difficult ⁇ lich.
  • the temperature difference between the heat source and ambient air is then so low that large heat exchanger with relatively high investment costs are disadvantageously needed.
  • disadvantageous large volume flows of cooling medium are required, which causes a relatively high energy consumption, especially in secondary consumers such as pumps and fans.
  • the object is solved with the features of claim 1.
  • the method according to the invention for cooling a fluid flow of an electrolysis unit comprises a plurality of steps. First, humid air comprising a first molar amount of water is passed into an evaporator unit. Subsequently, raw water is in the evaporator unit in countercurrent to the humid air ge ⁇ leads, wherein in the evaporator unit a temperature of ma ximal the boiling temperature of the water prevails. Then pure water from the raw water evaporates into the humid air, whereby the raw water cools down. The cooled raw ⁇ water is fed into a heat exchanger. Also, the fluid flow of the electrolysis is fed into the heat exchanger.
  • the device for carrying out the method according to the invention for cooling a fluid flow of an electrolysis unit and for recovering water from ambient air comprises a Ver ⁇ evaporator unit suitable for the evaporation of pure water from raw water in humid air and an electrolyzer, wherein a fluid flow of the electrolyzer is coolable by means of the raw water.
  • the fluid stream of the electrolysis is cooled by means of a raw water stream in a heat exchanger.
  • the heat transfer between two liquids is advantageous especially good. The required temperature differences can therefore be small compared to air-water cooling.
  • the raw water stream is preheated before it enters the evaporator. This enhances the evaporation process, which significantly increases the efficiency of the entire process.
  • the raw water is recovered substantially from the moist air.
  • the device and the method then requires no further water sources.
  • water is separated off, which is so pure that it can also serve as a reactant stream for the electrolysis. This increases the efficiency of the electrolysis process and makes the choice of location for the operation of the electrolysis interpreting ⁇ Lich flexible since no water source must be available on site.
  • the temperature in the evaporator unit is in a range of at least 40 ° C to a maximum of 55 ° C.
  • this temperature is sufficiently high so that the moist air can absorb a sufficiently large amount of water from the raw water.
  • it is furthermore possible that these temperatures are achieved only by preheating the raw water by means of the waste heat of the electrolyzer in the first heat exchanger.
  • a Kon ⁇ capacitor In a further advantageous embodiment of the invention and further manure is used as the water recovery unit a Kon ⁇ capacitor, an absorption unit or adsorption unit.
  • condenser here is a procedural ⁇ technical device for condensing a liquid to understand a gas.
  • capacitor and condenser are to be understood in the context of this application as equivalents.
  • silica gel, a molecular sieve or a zeolite are used as the adsorbent.
  • the capacitor means of a heat medium is operated, which cooled by means of ambient air who can ⁇ .
  • the cooling takes place at night, when the ambient temperatures are so low that efficient cooling of the heat medium is possible.
  • the Verdunsterody is operated at a fairly low ⁇ complicated pressure than the water recovery unit. Ins ⁇ special introduces lowering the pressure in the Evaporate ⁇ purity to even more water can pass into the humid air. Thus, the proportion of water that can be recovered in the evaporator unit is increased.
  • the device for cooling the electrolysis comprises a heat exchanger which is suitable for heating the raw water by means of the waste heat of a fluid flow of the electrolyzer before being guided into the evaporator unit.
  • a heat exchanger which is suitable for heating the raw water by means of the waste heat of a fluid flow of the electrolyzer before being guided into the evaporator unit.
  • the cooling of the fluid stream ⁇ the electrolysis is advantageous on the one hand allows, on the other hand increases the effi ciency of the ⁇ Verdunsterü.
  • the heat exchanger is a liquid-liquid heat exchanger.
  • the required temperature difference between the two heat-transferring media is significantly smaller than for gas-liquid heat exchangers.
  • the evaporator unit comprises a Pa ⁇ ckung or a Mountain Energy Stret. This enlarges the surface between the moist air and the raw water, so that the largest possible proportion, or the largest possible molar amount, of water in the humid air can pass.
  • Figure 2 shows a device for electrolysis cooling and water extraction with an evaporator unit and a cool box
  • FIG. 3 shows a device for electrolysis of water cooling and extraction with a Verdunsteriens and an ad ⁇ sorption unit
  • Figure 4 is a schematic overview of the process for
  • the electrolysis apparatus and cooling water extraction ⁇ plant 1 comprises a Verdunstertician 2 and a water extraction ⁇ unit 3.
  • Verdunstertician 2 FL moist air is passed.
  • a first throttle 8 is provided, by means of which the adjusting pressure in the evaporator unit 2 can be regulated.
  • the moist air FL is supplied at the foot of the evaporator unit 2, in other words at the lower end of the evaporator unit 2.
  • the moist air FL typically represents ambient air.
  • warm raw water RWW is supplied to the evaporator unit 2.
  • the hot raw water RWW is guided in the Verdunstertician 2 in countercurrent to the moist air stream FL and ver ⁇ trickles in Verdunstertician second
  • the evaporator unit 2 comprises internals which cause a large exchange surface to form between the liquid and the gaseous phase. These internals may typically include packages or packing.
  • a part of the water evaporates from the raw water RWW, which is then guided out of the evaporator unit 2 with the moist air flow with water FLW. A portion of the water remains in the liquid phase of the raw water RWW RWW and is now as cooled raw water RWK from the evaporator unit 2 ge ⁇ leads.
  • the cold raw water RWK can now either be led out of the process or fed back to the evaporator unit 2 via a first circulating pump 4.
  • a portion of the cold raw water RWK is not returned to the evaporator unit 2, but leaves the Wasserge ⁇ winnungsstrom 1, to prevent concentration of impurities, especially salts.
  • a portion of the cold raw water RWK, which is to be returned to Verdunste ⁇ purity 2 is guided via the first three-way valve 5 to a first heat exchanger 7.
  • This first heat exchanger 7 is on the one hand by the cold Raw water RWK and on the other hand by the warm fluid flow 9 of the electrolysis, which is to be cooled, flows through.
  • the fluid stream 9 comprises water from a water electrolyzer.
  • the temperature of the fluid stream 9 is typically in a range between 60 ° C and 100 ° C, in particular ⁇ between 60 ° C and 80 ° C.
  • a fluid stream of a carbon dioxide ⁇ electrolyser is fed into the heat exchanger. 7
  • the cooled fluid stream 10 leaves the heat exchanger 7.
  • the fluid flow from the electrolysis typically comprises water, in particular from the electrolyte of the electrolyzer. This water may include other components depending on the type of electrolyzer. In a PEM electrolyzer, ie a water electrolyzer, almost pure water is used.
  • the fluid stream comprises an aqueous KOH solution.
  • a chlor-alkali electrolysis the fluid stream comprises an aqueous NaOH and / or aqueous NaCl solution.
  • the fluid stream comprises an aqueous solution with a conductive salt.
  • the first three-way valve 5 makes it possible to set the cooling capacity or the heat output of the first heat exchanger 7.
  • raw water RW Since water is continuously withdrawn from the raw water RW, raw water RW has to be fed to the process continuously or at least semi-continuously in order to prevent the evaporator unit 2 from drying out.
  • the cooling of the fluid stream 9 of the electrolysis and thus also preheating of the raw water RWK in the first heat exchanger 7 before feeding to the evaporator unit 2 is particularly useful in warm, so in subtropical and tropical, climatic regions. In these warm climate regions, it is disadvantageous to be very energy-intensive and therefore also expensive to cool. At an ambient air temperature of in particular at least 30 ° C, it occurs there as well, that the ambient air, wel ⁇ che is added as a moist air guided to the FL Verdunsterillon 2, is fully saturated with water.
  • the Verdunsterillon 2 is therefore preferably at least at 30 ° C, more preferably in a range between 40 ° C to 55 ° C, heated to temperatures above temperatures especially the humid air FL by means of the pre-heated raw water ⁇ RWW.
  • the maximum mole fraction of water in the ambient air is about 4 mol%. Even in the event that the ambient air
  • a volume flow of 6.5 m 3 / s at an evaporator unit temperature of 40 ° or a flow rate of 1.9 m 3 / s at 55 ° in the evaporator unit 2 allow an advantageously sufficiently large cooling capacity for cooling the fluid flow of the electrolysis in particular achieve 400 kW.
  • the water-enriched damp air is subsequently guided FLW ⁇ . a water recovery unit.
  • the Wasserge ⁇ winning unit 3 is in this first example, in particular a condenser, or in other words a capacitor.
  • a condenser or condenser is here understood to mean a process-engineering device which makes it possible to condense a medium.
  • the flow of moist air with water FLW is assisted by a blower 11.
  • the blower 11 may advantageously increase the flow rate in such a manner that the cooling capacity of the Verdunsteriser 2 is sufficiently high for cooling the fluid stream, the electric ⁇ analysis.
  • the second throttle 14 an increase in the pressure in the condenser 3 in combination with the operation of the blower 11 can be carried out in a controllable manner. This is particularly advantageous because both in the evaporator unit 2, a larger amount of water from the raw water into the moist air FL evaporates and in the water extraction unit 3, a larger proportion of water can condense kon ⁇ .
  • water W is guided from above, which is trickled over internals, in particular via packing.
  • the moist air with the water FLW is guided in countercurrent to the water W from the bottom of the condenser 3 upwards.
  • the internals in turn allow a large exchange area.
  • the water W is thus guided as cold water in the condenser 3.
  • the water, which is guided into the condensed water 3 in the moist air flow FLW condenses out.
  • blower 11 If the blower 11 is operated in such a way that there is a negative pressure in the evaporator unit 2 and an overpressure in the water extraction unit 3, then additionally allows condensation at relatively high temperatures, in particular the temperatures prevailing in the Verduns ⁇ territt 2, in particular 40 ° C to 55 ° C.
  • the pressure in the condenser should therefore be at least 2 bar. However, if it is necessary to lower the temperature of the condenser, the water can be cooled by a cooler 13 to a predetermined temperature. Increasing the pressure in the condenser 3 is only useful if the environment Tempe ⁇ tures of the capacitor 3 as in tropical and subtropi ⁇ rule regions is increased. If the ambient temperature is low, that is, in particular below 30 ° C., increasing the pressure in the condenser 3 is not expedient.
  • FIG. 2 shows an electrolytic cooling device 1 having a Verdunstertician 2 and, in contrast to the first exporting ⁇ approximately, for example, with a cooling box 20.
  • a fluid stream 9 of an electrolysis unit 100 in a heat exchanger 7 cooled The cooling of the fluid flow 9 takes place by means of a cooled raw water flow RWK from the evaporator unit 2.
  • a stream of moist air FL is passed in countercurrent to the raw water RW.
  • a portion of the pure water evaporates from the crude ⁇ water in the humid air, on the one hand the Tempe ⁇ temperature of the raw water cools and on the other hand the halt Wasserge ⁇ increases the moist air FL.
  • a cool box is a built-up room with a thermally insulated volume inside.
  • the cooling box 20 is tempered by an active cooling box cooling device 21, in particular a heat exchanger or an electrically operated cooling device, to low temperatures, wherein expediently the water is cooled within the condenser 3, since a liquid-liquid heat exchanger a can be set.
  • An additional optional gas-gas heat exchanger 22 may be advantageous to use the gas ⁇ stream exiting the cooler 20 to pre-cool the humid air stream which is directed into the cooler 20th This advantageously reduces the energy requirement of the cooling box cooling device 21.
  • the exiting air L less moisture, ie water, contained ⁇ ten as the moist air FL, which is led into the evaporator unit 2.
  • the humid air comprises a FL Stoffmen ⁇ gene proportion of water of 1 mol%, and the exiting air L to a target of a lower water content of
  • the electrolysis 1 also comprises cooling device a Verdunsterech 2. Un ⁇ ter Kunststoff to the first and second embodiments to ⁇ electrolysis Cooler 1 summarizes an adsorbent 30 for water production from the water-enriched humid air FLW.
  • the adsorber 30 comprises in its interior an adsorbent which has a high absorption capacity for water. The capacity can be by means of adsorption isotherms be ⁇ wrote.
  • adsorption isotherm of a typical adsorbent shows that, especially at low temperatures or higher water partial pressures, water is adsorbed to the adsorbent.
  • Typical adsorbents are silica gel, zeolites and other molecular sieves.
  • Adsor ⁇ bens is loaded with water.
  • Specific loadings of an adsorbent Bens, also called adsorbate may typically be in a range of more than 10 g of water per 100 g of adsorbent.
  • the third three-way valve 31 and the fourth three-way valve 32 are switched so that the damp ⁇ te air stream is passed with water FLW through the adsorbent and then discharged into the environment as air L.
  • a throttle 14 and the blower 11 By means of the throttle 14 and the blower 11, a
  • the adsorption unit 30 can be warmed up to allow regeneration of the adsorbent.
  • the heating element 33 comprises a jacket ⁇ heater.
  • the valve position of the third and fourth three-way valves 31 and 32 are such that an air circuit is formed, which caused by another two ⁇ tes blower 34 to flow becomes.
  • the air flow is then passed through a cooling element 35, so that the water condenses ⁇ .
  • the regeneration temperature of the air L is above the temperature of the humid air with water FLW from the evaporator unit. This means that this air L can be enriched with a higher proportion of water than the moist air with water FLW.
  • the cooling element 35 can be operated at low temperatures Weni ⁇ ger than a comparable direct cooling of the moist air with water FLW after Verdunstermaschine 2. This allows advantageous in very high ambient temperatures cooling by means of air cooling.
  • the condensed out water is then separated off in a phase separation device 36 and can optionally at least partially be returned to the evaporator unit 2 and / or, particularly advantageously, be used as educt for electrolysis.
  • an adsorbent advantageously allows a process with virtually no loss of adsorbent during the process, which keeps maintenance costs and maintenance times advantageously low.
  • adsorption is preferable to absorption; Especially because of electrical energy for regeneration, which leads to a high
  • the third three-way valve 31 through a 4-port valve to ERSET ⁇ zen, to operate the fan 11 can.
  • liquid drying agents ie an absorbent
  • Typical absorbents provide aqueous solutions of Lö ⁇ lithium halides, especially LiCl or LiBr.
  • inorganic salts in particular potassium or calcium halides or inorganic salts such as potassium acetate, potassium formate or
  • Potassium lactate or ionic liquids can be used as an absorbent. Any other liquid which reduces the vapor pressure of water, is conceivable as an absorbent, in particular glycols, which are already widely used for ⁇ What serabtrennung from gas streams.
  • the loading and regeneration of the absorbent advantageously takes place in packs, with the loaded absorbent and the absorbent to be loaded flowing over the pack or, in other words, being trickled.
  • the laden with water moist air FLW (loading) or dry air (desorption) is performed.
  • the packages are arranged in columns. The desorption column is then advantageously heated.
  • FIG. 4 shows a schematic overview of the method for cooling a fluid flow of the electrolysis device 100 by means of a heat exchanger 7, which is cooled by cool raw water RWK, which flows out of an evaporator unit 2.
  • the cooled heat exchanger 7 leaves the cooled fluid stream 10 of the electrolysis unit 100.
  • the raw water, which was preheated in the heat exchanger 7, is conducted into the evaporator unit 2 as warm raw water RWW.
  • Verdunsterein ⁇ unit 2 as fresh raw water RW is performed.
  • Counter ⁇ power to the raw water RW moist air FL is fed into the Evaporate ⁇ purity second In the evaporator unit 2, water W passes from the raw water RW to the moist air FL.
  • the evaporator unit 2 thus leaves water-enriched moist air FLW.
  • This water-enriched moist air FLW is fed into a water extraction unit 3.
  • water W becomes the humid air FLW disconnected.
  • the water extraction unit thus leaves air L and water W.
  • the water W can optionally be led either back into the electrolysis as educt or back into the Verduns ⁇ territt 2 as raw water RW.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines Fluidstroms einer Elektrolyseeinheit und zur Wassergewinnung aus Umgebungsluft mit mehreren Schritten. Es wird ein feuchter Luftstrom mit einer ersten Molmenge Wasser in eine Verdunstereinheit geführt. Anschließend wird Rohwasser in die Verdunstereinheit im Gegenstrom zur feuchten Luft geführt, wobei in der Verdunstereinheit eine Temperatur von maximal der Siedetemperatur des Wassers herrscht. In der Verdunstereinheit wird reines Wasser aus dem Rohwasser in den feuchten Luftstrom verdunstet, wobei sich das Rohwasser abkühlt. Das abgekühlte Rohwasser wird in einen Wärmetauscher geführt und der Fluidstrom der Elektrolyseeinheit wird in den in den Wärmetauscher geführt, wobei Wärme von dem Fluidstrom auf das Rohwasser übertragen wird. Das vorgewärmte Rohwasser wird in die Verdunstereinheit zurückgeführt. Die feuchte Luft mit dem reinen Wasser wird in eine Wassergewinnungseinheit geführt und eine zweite Molmenge des reinen Wassers wird aus der feuchten Luft mit Wasser (FLW) in der Wassergewinnungseinheit (3) abgetrennt, wobei eine dritte in der Luft verbleibende Wassermolmenge kleiner als die erste Molmenge ist. Der abgekühlte Fluidstrom wird zur Elektrolyseeinheit zurückgeführt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines Fluidstroms einer Elektrolyseeinheit und zur Wassergewinnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Fluidstroms einer Elektrolyseeinheit und die Wassergewinnung . Die Nachfrage nach Strom schwankt im tageszeitlichen Verlauf stark. Auch die Stromerzeugung schwankt mit zunehmendem Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien während des Tagesverlaufs. Um ein Überangebot an Strom in Zeiten mit viel Sonne und starkem Wind bei niedriger Nachfrage nach Strom ausglei- chen zu können, können regelbare Kraftwerke oder Speicher, die diese Energie speichern, eingesetzt werden.
Um die erneuerbare Energie speichern zu können, ist insbesondere die Elektrolyse eine attraktive Möglichkeit. Hierbei wird bei einem Überangebot an Strom Wasser in die Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Wasserstoff und Sauer¬ stoff können anschließend gespeichert werden. Benötigt man wieder Energie, so kann man insbesondere mittels einer Brenn¬ stoffzelle, wiederum aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom er- zeugen.
Als Voraussetzung für eine Durchführung einer Elektrolyse bedarf es einerseits der Verfügbarkeit von reinem Wasser. Eine Möglichkeit in Küstennähe Trink- und Brauchwasser zu erzeu- gen, liegt in der Entsalzung von Meerwasser. Meist wird das Trink- und Brauchwasser aus dem Meerwasser mittels Umkehrosmose erzeugt. Allerdings erzeugt diese Technologie große Men¬ gen salzreichen Konzentrats als Abfall. Das Entsorgen dieses salzreichen Konzentrats erfolgt häufig durch Einleiten ins Meer, wo es große Umweltschäden verursacht. Eine mögliche Alternative zur Wassergewinnung, insbesondere zur Trinkwassergewinnung, liegt in der Gewinnung von Wasser aus der Luft.
Bei der Gewinnung von Wasser aus Luft ist insbesondere die Kühlung einer Oberfläche bis unterhalb des Taupunkts der Luft mit einer elektrisch betriebenen Kältemaschine bekannt. Unterhalb des Taupunkts kondensiert das Wasser aus der Luft und kann so gewonnen werden. Nachteilig weist diese Technik einen hohen Energieverbrauch auf. Auch mit einer Kälterückgewinnungsvorrichtung oder einer Vorkühlung des eintretenden Luftstroms ist der Energieverbrauch dieser Wassergewinnungsmetho¬ de nachteilig hoch.
Weiterhin wird ein günstiges und technisch robustes Kühlsys¬ tem für das Durchführen der Wasser-Elektrolyse benötigt, um die bei der Elektrolyse stets anfallende Abwärme abzuführen. Insbesondere in tropischen und subtropischen Regionen ist es schwierig, die Elektrolyse-Abwärme abzuführen. Typischerweise fällt eine Abwärme im Bereich zwischen 60 °C bis 100 °C an. Bei Temperaturen der Umgebung von bis zu 50 °C, ist eine reine Kühlung mittels Umgebungsluft nachteilig nur schwer mög¬ lich. Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Umgebungsluft ist dann so gering, dass große Wärmetauscher mit relativ hohen Investitionskosten nachteilig benötigt werden. Weiterhin werden nachteilig große Volumenströme an Kühlmedium benötigt, was einen relativ hohen Energieverbrauch, insbesondere bei Nebenverbrauchern wie Pumpen und Gebläse hervorruft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Gewinnung von Wasser für die Elektrolyse aus Luft und ein Kühlen einer Elektrolyseeinheit energieeffizient ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An¬ spruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen eines Fluidstroms einer Elektrolyseeinheit umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird feuchte Luft umfassend eine erste Molmenge Wasser in eine Verdunstereinheit geführt. Anschließend wird Rohwasser in die Verdunstereinheit im Gegenstrom zur feuchten Luft ge¬ führt, wobei in der Verdunstereinheit eine Temperatur von ma ximal der Siedetemperatur des Wassers herrscht. Anschließend verdunstet reines Wasser aus dem Rohwasser in die feuchte Luft, wobei sich das Rohwasser abkühlt. Das abgekühlte Roh¬ wasser wird in einen Wärmetauscher geführt. Auch der Fluidstrom der Elektrolyse wird in den Wärmetauscher geführt. In dem Wärmetauscher geht Wärme des Fluidstroms auf das Rohwas¬ ser über. Die feuchte Luft mit dem reinen Wasser wird in die Wassergewinnungseinheit geführt. In der Wassergewinnungsein¬ heit wird eine zweite Molmenge reinen Wassers aus der feuch¬ ten Luft abgetrennt, wobei eine dritte nach der Abtrennung des Wassers in der Luft verbleibende Molmenge an Wasser klei ner als die erste Molmenge Wasser ist. Das vorgewärmte Roh¬ wasser wird zurück in die Verdunstereinheit geführt. Der ab¬ gekühlte Fluidstrom wird zurück in die Elektrolyseeinheit ge führt .
Die Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfah rens zum Kühlen eines Fluidstroms einer Elektrolyseeinheit und zur Wassergewinnung aus Umgebungsluft umfasst eine Ver¬ dunstereinheit geeignet zum Verdunsten von reinem Wasser aus Rohwasser in feuchte Luft und einen Elektrolyseur, wobei ein Fluidstrom des Elektrolyseurs mittels des Rohwassers kühlbar ist .
Aus der mit Wasser angereicherten Luft, welche die Verdunste reinheit verlässt, wird Wasser gewonnen. Die Menge an gewon¬ nenem Wasser übersteigt vorteilhaft die Menge an in der Ver¬ dunstereinheit verdunstetem Wasser. Somit wird insgesamt Was ser aus der Luft gewonnen, welches vorteilhaft in der Elek¬ trolyse als Edukt eingesetzt werden kann. Besonders vorteilhaft wird der Fluidstrom der Elektrolyse mittels eines Rohwasserstroms in einem Wärmetauscher gekühlt. Der Wärmeübergang zwischen zwei Flüssigkeiten ist vorteilhaft besonders gut. Die benötigten Temperaturunterschiede können daher klein sein im Vergleich zu einer Luft-Wasserkühlung.
Vorteilhaft wird der Rohwasserstrom vorgewärmt, bevor er in den Verdunster gelangt. Dadurch wird der Verdunstungsprozess verbessert, sodass die Effizienz des gesamten Verfahrens vor- teilhaft ansteigt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird das Rohwasser im Wesentlichen aus der feuchten Luft gewonnen. Vorteilhafterweise benötigt die Vorrichtung und das Verfahren dann keine weiteren Wasserquellen.
Besonders vorteilhaft wird Wasser abgetrennt, welches so rein ist, dass es auch als Edukt-Strom für die Elektrolyse dienen kann. Dies erhöht die Effizienz des Elektrolyseverfahrens und macht die Standortwahl für den Betrieb der Elektrolyse deut¬ lich flexibler, da vor Ort keine Wasserquelle vorhanden sein muss .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil- dung der Erfindung liegt die Temperatur in der Verdunstereinheit in einem Bereich von wenigstens 40 °C bis maximal 55 °C. Vorteilhaft ist diese Temperatur ausreichend hoch, damit die feuchte Luft eine ausreichend große Menge an Wasser aus dem Rohwasser aufnehmen kann. Vorteilhaft ist es weiterhin mög- lieh, dass diese Temperaturen lediglich durch das Vorwärmen des Rohwassers mittels der Abwärme des Elektrolyseurs in dem ersten Wärmetauscher erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil- dung der Erfindung wird als Wassergewinnungseinheit ein Kon¬ densator, eine Absorptionseinheit oder eine Adsorptionseinheit verwendet. Unter Kondensator ist hier eine verfahrens¬ technische Vorrichtung zum Kondensieren einer Flüssigkeit aus einem Gas zu verstehen. Die Worte Kondensator und Kondenser sind im Rahmen dieser Anmeldung als Äquivalente zu verstehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil- dung der Erfindung werden als Adsorptionsmittel Kieselgel, ein Molsieb oder ein Zeolith verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Kondensator mittels eines Wärme- mediums betrieben, welches mittels Umgebungsluft gekühlt wer¬ den kann. Insbesondere erfolgt die Kühlung in der Nacht, wenn die Umgebungstemperaturen so niedrig sind, dass ein effizientes Kühlen des Wärmemediums möglich ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird die Verdunstereinheit bei einem nied¬ rigeren Druck als die Wassergewinnungseinheit betrieben. Ins¬ besondere führt ein Erniedrigen des Druckes in der Verdunste¬ reinheit dazu, dass noch mehr Wasser in die feuchte Luft übergehen kann. Somit wird der Anteil des Wassers, der in der Verdunstereinheit gewonnen werden kann, erhöht. Werden Verdunstereinheit und Kondensator über ein Gebläse miteinander verbunden, so sorgt dies dafür, dass in der Verdunstereinheit der Druck erniedrigt und gleichzeitig in der Wassergewin- nungseinheit der Druck erhöht wird. Diese Druckerhöhung führt vorteilhafterweise dazu, dass ein größerer Anteil an Wasser aus der feuchten Luft kondensieren kann als bei Umgebungsdruck. Diese Druckverhältnisse ermöglichen besonders vorteil¬ haft eine effiziente Wassergewinnung.
Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung zum Kühlen der Elektrolyse einen Wärmetauscher, welcher geeignet ist zum Erwärmen des Rohwassers mittels der Abwärme eines Fluidstroms des Elektrolyseurs vor dem Führen in die Verdunstereinheit. Vorteilhaft wird dadurch zum einen das Abkühlen des Fluid¬ stroms der Elektrolyse ermöglicht, und andererseits die Effi¬ zienz der Verdunstereinheit erhöht. Besonders vorteilhaft ist der Wärmetauscher ein Flüssig- Flüssig-Wärmetauscher . Bei Flüssig-Flüssig-Wärmetauschern ist die benötigte Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärmeübertragenden Medien deutlich kleiner als bei Gas-Flüssig- Wärmetauschern .
Besonders vorteilhaft umfasst die Verdunstereinheit eine Pa¬ ckung oder eine Füllkörperfüllung. Dies vergrößert die Oberfläche zwischen der feuchten Luft und dem Rohwasser, sodass ein möglichst großer Anteil, bzw. eine möglichst große Mol¬ menge, an Wasser in die feuchte Luft übergehen kann.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch :
Figur 1 eine Vorrichtung zur Elektrolyse- Kühlung und Wassergewinnung mit einer Verdunstereinheit und einer Was¬ sergewinnungseinheit;
Figur 2 eine Vorrichtung zur Elektrolyse- Kühlung und Wassergewinnung mit einer Verdunstereinheit und einer Kühlbox;
Figur 3 eine Vorrichtung zur Elektrolyse- Kühlung und Wassergewinnung mit einer Verdunstereinheit und einer Ad¬ sorptionseinheit;
Figur 4 eine schematische Übersicht über das Verfahren zur
Elektrolysekühlung und Wassergewinnung.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Figur 1, umfasst die Elektrolyse-Kühlvorrichtung und Wassergewinnungs¬ anlage 1 eine Verdunstereinheit 2 und eine Wassergewinnungs¬ einheit 3. In die Verdunstereinheit 2 wird feuchte Luft FL geführt. Optional ist eine erste Drossel 8 vorhanden, mittels welcher der sich einstellende Druck in der Verdunstereinheit 2 geregelt werden kann. Typischerweise wird die feuchte Luft FL am Fuße der Verdunstereinheit 2, in anderen Worten am unteren Ende der Verdunstereinheit 2, zugeführt. Die feuchte Luft FL stellt typischerweise Umgebungsluft dar.
Weiterhin wird in die Verdunstereinheit 2 warmes Rohwasser RWW zugeführt. Typischerweise wird dieses warme Rohwasser RWW am Kopf der Verdunstereinheit 2, in anderen Worten am oberen Ende der Verdunstereinheit 2, zugeführt. Das warme Rohwasser RWW wird in der Verdunstereinheit 2 im Gegenstrom zum feuchten Luftstrom FL geführt und in der Verdunstereinheit 2 ver¬ rieselt .
Insbesondere umfasst die Verdunstereinheit 2 Einbauten, wel- che dazu führen, dass sich eine große Austauschoberfläche zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase ausbildet. Diese Einbauten können typischerweise Packungen oder Füllkörper umfassen. In der Verdunstereinheit 2 verdunstet ein Teil des Wassers aus dem Rohwasser RWW, welcher daraufhin mit dem feuchten Luftstrom mit Wasser FLW aus der Verdunstereinheit 2 hinaus geführt wird. Ein Teil des Wassers verbleibt in der flüssigen Phase des warmen Rohwassers RWW und wird als nun abgekühltes Rohwasser RWK aus der Verdunstereinheit 2 ge¬ führt .
Das kalte Rohwasser RWK kann nun entweder aus dem Prozess herausgeführt werden oder über eine erste Umwälzpumpe 4 zu- rück zur Verdunstereinheit 2 geführt werden. Ein Teil des kalten Rohwassers RWK wird nicht zurück in die Verdunstereinheit 2 geführt, sondern verlässt die Wasserge¬ winnungsanlage 1, um ein Aufkonzentrieren von Verunreinigungen, insbesondere von Salzen zu verhindern. Ein Anteil des kalten Rohwassers RWK, welcher zur Verdunste¬ reinheit 2 zurückgeführt werden soll, wird über das erste Drei-Wege-Ventil 5 zu einem ersten Wärmetauscher 7 geführt. Dieser erste Wärmetauscher 7 wird einerseits von dem kalten Rohwasser RWK und andererseits von dem warmen Fluidstrom 9 der Elektrolyse, den es zu kühlen gilt, durchströmt. Insbe¬ sondere umfasst der Fluidstrom 9 Wasser aus einem Wasser- Elektrolyseur . Die Temperatur des Fluidstroms 9 liegt typi- scherweise in einem Bereich zwischen 60 °C und 100 °C, insbe¬ sondere zwischen 60°C und 80°C. Es ist aber alternativ ebenso denkbar, dass insbesondere ein Fluidstrom eines Kohlenstoff¬ dioxid-Elektrolyseurs in den Wärmetauscher 7 geführt wird. Der abgekühlte Fluidstrom 10 verlässt den Wärmetauscher 7. Der Fluidstrom aus der Elektrolyse umfasst typischerweise Wasser, insbesondere aus dem Elektrolyt des Elektrolyseurs. Dieses Wasser kann in Abhängigkeit der Art des Elektrolyseurs weitere Komponenten umfassen. Bei einem PEM-Elektrolyseur, also einen Wasser-Elektrolyseur, wird nahezu reines Wasser verwendet. Bei einem alkalischen Elektrolyseur umfasst der Fluidstrom eine wässrige KOH-Lösung. Bei einer Chlor-Alkali- Elektrolyse umfasst der Fluidstrom eine wässrige NaOH-, und/oder wässrige NaCl Lösung. Bei einem Kohlenstoffdioxid- Elektrolyseur umfasst der Fluidstrom eine wässrige Lösung mit einem Leitsalz.
Das erste Drei-Wege-Ventil 5 ermöglicht ein Einstellen der Kühlleistung bzw. der Heizleistung des ersten Wärmetauschers 7.
Da kontinuierlich Wasser aus dem Rohwasser RW entzogen wird, muss Rohwasser RW dem Prozess kontinuierlich oder wenigstens semi-kontinuierlich zugeführt werden, um ein Austrocknen der Verdunstereinheit 2 zu verhindern.
Das Abkühlen des Fluidstroms 9 der Elektrolyse und somit auch Vorwärmen des Rohwassers RWK in dem ersten Wärmetauscher 7 vor dem Zuführen zu der Verdunstereinheit 2 ist insbesondere in warmen, also in subtropischen und tropischen, Klimaregionen sinnvoll. In diesen warmen Klima - Regionen ist es nachteilig sehr energieintensiv und somit auch teuer zu kühlen. Bei einer Umgebungslufttemperatur von insbesondere wenigstens 30 °C kommt es dort außerdem vor, dass die Umgebungsluft, wel¬ che als feuchte Luft FL zur Verdunstereinheit 2 hinzugeführt wird, vollständig mit Wasser gesättigt ist. Um dennoch Wasser aus dem Rohwasser in die bei Umgebungstemperatur gesättigte feuchte Luft verdunsten zu können, und somit die Temperatur des Rohwassers in der Verdunstereinheit 2 so weit absenken zu können, dass die Kühlleistung des erkalteten Rohwassers RWK für den Fluidstrom 9 der Elektrolyse ausreichend ist, muss die Temperatur in der Verdunstereinheit 2 oberhalb der Tempe- ratur der feuchten Luft FL, insbesondere der Umgebungsluft, liegen. Die Verdunstereinheit 2 wird daher mittels des vorge¬ wärmten Rohwassers RWW auf Temperaturen insbesondere oberhalb von Temperaturen der feuchten Luft FL, bevorzugt wenigstens auf 30°C, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 40 °C bis 55 °C, aufgeheizt. Um eine ausreichende Menge an Wasser aus dem warmen Rohwasser RWW in die feuchte Luft zu verduns¬ ten und somit die Temperatur des Rohwassers ausreichend für eine Kühlung zu erniedrigen, sollte eine ausreichende Tempe¬ raturdifferenz von wenigstens 5 K, besonders bevorzugt von wenigstens 10 K vorliegen, wobei die feuchte Luft die niedri¬ gere Temperatur aufweist.
Als Beispiel für eine mögliche Kühlleistung des kalten Roh¬ wassers RWK können folgende Daten herangezogen werden. Bei einer Umgebungstemperatur von etwa 30° C liegt der maximale Stoffmengenanteil an Wasser in der Umgebungsluft bei etwa 4 mol%. Selbst für den Fall, dass die Umgebungsluft einen
Stoffmengenanteil von Wasser von 4 mol% aufweist, also nahe an der Sättigung der Umgebungsluft mit Wasser liegt, können die Volumenströme der feuchten Luft mittels des Gebläses 11 derart erhöht werden, dass eine Kühlleistung immer noch ausreichend hoch ist. Insbesondere ein Volumenstrom von 6,5 m3/s bei einer Verdunstereinheits-Temperatur von 40° oder ein Volumenstrom von 1,9 m3/s bei 55° in der Verdunstereinheit 2 lassen eine vorteilhaft ausreichend große Kühlleistung für die Kühlung des Fluidstroms der Elektrolyse von insbesondere 400 kW erzielen. Die mit Wasser angereicherte feuchte Luft FLW wird anschlie¬ ßend in eine Wassergewinnungseinheit 3 geführt. Die Wasserge¬ winnungseinheit 3 ist in diesem ersten Beispiel insbesondere ein Kondenser, oder in anderen Worten ein Kondensator. Als Kondenser oder Kondensator wird hier eine verfahrenstechnische Vorrichtung verstanden, welche das Kondensieren eines Mediums ermöglicht.
Das Strömen der feuchten Luft mit Wasser FLW wird durch ein Gebläse 11 unterstützt. Das Gebläse 11 kann vorteilhaft den Volumenstrom derart erhöhen, dass die Kühlleistung der Verdunstereinheit 2 für das Kühlen des Fluidstroms der Elektro¬ lyse ausreichend hoch ist. Zusätzlich, besonders vorteilhaft, kann das Gebläse 11 die Druckverhältnisse in der Verdunste- reinheit 2 und der Wassergewinnungseinheit 3 derart beein¬ flussen, dass in der Verdunstereinheit 2 ein Unterdruck im Vergleich zur Wassergewinnungseinheit 3 vorliegt. Mittels der zweiten Drossel 14 kann ein Erhöhen des Drucks in dem Kondenser 3 in Kombination mit dem Betreiben des Gebläses 11 regel- bar erfolgen. Dies ist besonders vorteilhaft, da sowohl in der Verdunstereinheit 2 eine größere Menge Wasser aus dem Rohwasser in die feuchte Luft FL verdunstet als auch in der Wassergewinnungseinheit 3 ein größerer Anteil an Wasser kon¬ densieren kann.
In den Kondenser 3 wird von oben Wasser W geführt, welches über Einbauten, insbesondere über Füllkörper, verrieselt wird. Die feuchte Luft mit dem Wasser FLW wird im Gegenstrom zum Wasser W vom Fuße des Kondensers 3 nach oben geführt. Die Einbauten ermöglichen wiederum eine große Austauschfläche. Das Wasser, welches in den Kondenser 3 geführt wird, ist aber, im Unterschied zur Verdunstereinheit 2, vorher abge¬ kühlt worden. Das Wasser W wird also als kaltes Wasser in den Kondenser 3 geführt. Dies führt dazu, dass das Wasser, wel- ches in dem feuchten Luftstrom FLW in den Kondenser 3 geführt wird, auskondensiert. Wird das Gebläse 11 derart betrieben, dass in der Verdunstereinheit 2 ein Unterdruck und in der Wassergewinnungseinheit 3 ein Überdruck herrscht, wird zu- sätzlich das Kondensieren bei relativ hohen Temperaturen ermöglicht, insbesondere den Temperaturen, die in der Verduns¬ tereinheit 2 herrschen, insbesondere 40°C bis 55°C.
Bei einer Temperatur des Wassers von 50 °C sollte der Druck in dem Kondenser daher bei wenigstens 2 bar liegen. Ist es dennoch nötig, die Temperatur des Kondensers zu erniedrigen, kann das Wasser mit einer Kühleinrichtung 13 auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt werden. Ein Erhöhen des Drucks im Kondenser 3 ist nur dann zweckmäßig, wenn die Umgebungstempe¬ raturen des Kondensators 3 wie in tropischen und subtropi¬ schen Regionen erhöht ist. Ist die Umgebungstemperatur niedrig, das bedeutet insbesondere unterhalb von 30°C, so ist ein Erhöhen des Drucks in dem Kondenser 3 nicht zweckmäßig.
Figur 2 zeigt eine Elektrolyse-Kühlvorrichtung 1 mit einer Verdunstereinheit 2 und, im Unterschied zum ersten Ausfüh¬ rungsbeispiel, mit einer Kühlbox 20. Grundsätzlich wird im zweiten Ausführungsbeispiel, wie auch im ersten Ausführungs¬ beispiel, ein Fluidstrom 9 einer Elektrolyseeinheit 100 in einen Wärmetauscher 7 abgekühlt. Das Kühlen des Fluidstroms 9 erfolgt mittels eines abgekühlten Rohwasserstroms RWK aus der Verdunstereinheit 2. In die Verdunstereinheit 2 wird einen Strom feuchter Luft FL im Gegenstrom zum Rohwasser RW geführt. Ein Anteil des reinen Wassers verdunstet aus dem Roh¬ wasser in die feuchte Luft, wobei sich einerseits die Tempe¬ ratur des Rohwassers abkühlt und andererseits der Wasserge¬ halt der feuchten Luft FL erhöht. Die feuchte Luft mit dem erhöhten Wassergehalt FLW wird anschließend in eine Wasserge¬ winnungseinheit 3 geführt. In diesem zweiten Ausführungsbei¬ spiel ist die Wassergewinnungseinheit 3 in eine Kühlbox ein¬ gehaust. Eine Kühlbox ist in anderen Worten also ein umbauter Raum mit einem thermisch isolierten Volumen im Inneren. Die Kühlbox 20 wird durch eine aktive Kühlbox-Kühlvorrichtung 21, insbesondere ein Wärmetauscher oder eine elektrisch betriebene Kühlvorrichtung, auf niedrige Temperaturen temperiert, wobei zweckmäßigerweise das Wasser innerhalb des Kondensators 3 gekühlt wird, da hier ein Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher ein- gesetzt werden kann. Ein zusätzlicher optionaler Gas-Gas- Wärmetauscher 22 kann vorteilhaft sein, um den feuchten Luftstrom, der in die Kühlbox 20 geleitet wird mithilfe des Gas¬ stroms, der die Kühlbox 20 verlässt, vorzukühlen. Dies ver- ringert vorteilhaft den Energiebedarf der Kühlbox- Kühlvorrichtung 21.
Um eine ausreichend große Menge Wasser aus der Umgebungsluft zu gewinnen, sodass der Verdunstungseffekt in der Verdunste- reinheit 2 für eine Kühlung ausreicht, und ausreichend Wasser für eine Elektrolyse bereitgestellt werden kann, muss die austretende Luft L weniger Feuchtigkeit, also Wasser, enthal¬ ten als die feuchte Luft FL, die in die Verdunstereinheit 2 geführt wird.
In einem Beispiel umfasst die feuchte Luft FL einen Stoffmen¬ genanteil von Wasser von 1 mol % und die austretende Luft L soll als Zielvorgabe einen geringeren Wassergehalt von
0,5 mol % aufweisen. Erhöht man den Druck im Kondenser 3 mit- tels des Gebläses 11 und der Drossel 14 auf 2 bar, so sind Kondensertemperaturen von etwa 7 °C nötig, um maximal 0,5 % Stoffmengenanteil Wasser in der austretenden Luft L zu erzie¬ len . In einem dritten Ausführungsbeispiel umfasst die Elektrolyse- Kühlvorrichtung 1 ebenfalls eine Verdunstereinheit 2. Im Un¬ terschied zu dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel um¬ fasst die Elektrolyse-Kühlvorrichtung 1 einen Adsorber 30 zur Wassergewinnung aus der mit Wasser angereicherten feuchten Luft FLW. Der Adsorber 30 umfasst in seinem Inneren ein Ad- sorbens, welches eine hohe Aufnahmekapazität für Wasser hat. Die Aufnahmekapazität kann mittels Adsorptionsisothermen be¬ schrieben werden. Die Adsorptionsisotherme eines typischen Adsorbens zeigt, dass insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder höheren Wasserpartialdrücken Wasser an das Adsorbens adsorbiert wird. Typische Adsorbentien sind Kieselgel, Zeolithe und andere Molsiebe. Während der Adsorption wird das Adsor¬ bens mit Wasser beladen. Spezifische Beladungen eines Adsor- bens, beladen auch Adsorbat genannt, können typischerweise in einem Bereich von mehr als 10 g Wasser pro 100 g Adsorbens liegen . Während des Abtrennens des Wassers aus der mit Wasser belade- nen feuchten Luft FLW sind das dritte Drei-Wege-Ventil 31 und das vierte Drei-Wege-Ventil 32 so geschaltet, dass der feuch¬ te Luftstrom mit Wasser FLW durch das Adsorbens geleitet wird und anschließend in die Umgebung als Luft L abgegeben werden kann. Mittels der Drossel 14 und dem Gebläse 11 kann eine
Druckerhöhung in der Adsorptionseinheit erfolgen, welche das Adsorbieren unterstützt. Für das Desorbieren des Wassers kann anschließend mittels der Drossel 14 der Druck erniedrigt wer¬ den. Es handelt sich also um eine sogenannte Druckwechselad- Sorption. Alternativ zu einem Druckwechselverfahren mittels der Drossel 14 und dem Gebläse 11 kann auch eine Temperaturwechseladsorption erfolgen. Bei einem Temperaturwechselverfahren erfolgt die Adsorption des Wassers bei niedrigeren Temperaturen als die Desorption des Wassers. Mithilfe eines Heizelements 33 kann die Adsorptionseinheit 30 aufgewärmt werden, um eine Regeneration des Adsorbens zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft umfasst das Heizelement 33 eine Mantel¬ heizung . Bei einer Regeneration des Adsorbers 30, also der Desorption des Wassers aus dem Adsorbat, stehen die Ventilstellung der dritten und vierten Drei- Wege-Ventile 31 und 32 derart, dass ein Luftkreislauf entsteht, welcher durch ein weiteres zwei¬ tes Gebläse 34 zum Strömen gebracht wird. Der Luftstrom wird dann durch ein Kühlelement 35 geführt, sodass das Wasser aus¬ kondensiert. Die Regenerationstemperatur der Luft L liegt über der Temperatur der feuchten Luft mit Wasser FLW aus der Verdunstereinheit. Das bedeutet, diese Luft L kann mit einem höheren Anteil an Wasser angereichert werden als die feuchte Luft mit Wasser FLW. Somit kann das Kühlelement 35 bei weni¬ ger tiefen Temperaturen betrieben werden als eine vergleichbare direkte Kühlung der feuchten Luft mit Wasser FLW nach der Verdunstereinheit 2. Das ermöglicht vorteilhaft auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen ein Kühlen mittels Luftkühlung .
Das auskondensierte Wasser wird dann in einer Phasentrennvor- richtung 36 abgetrennt und kann optional wenigstens teilweise in die Verdunstereinheit 2 zurückgeführt und/oder, besonders vorteilhaft, als Edukt für eine Elektrolyse verwendet werden.
Der Einsatz eines Adsorptionsmittels ermöglicht vorteilhaft ein Verfahren mit nahezu keinem Verlust von Adsorbens während des Verfahrens, was Wartungskosten und Wartungszeiten vorteilhaft niedrig hält. Bei hoher Umgebungstemperatur, also wenn die Kühlung sehr energieintensiv ist, ist eine Adsorption einer Absorption vorzuziehen; Besonders auch deshalb, da elektrische Energie zur Regenerierung, die zu einem hohen
Temperaturniveau von wenigstens 100 °C führt, zur Verfügung steht .
Für den Fall, dass es erforderlich ist, die Verdunstungsküh- lung in der Verdunstereinheit 2 gleichzeitig zu einer Desorp- tion in Adsorber 30 durchzuführen, so ist es zweckmäßig das dritte Drei-Wege-Ventil 31 durch ein 4-Portventil zu erset¬ zen, um das Gebläse 11 betreiben zu können. Dies ist insbe¬ sondere dann vorteilhaft, wenn ein Heizen des Heizelements 33 mittels elektrischer Energie erfolgt, welche insbesondere mittags aus erneuerbaren Energien in großer Menge zur Verfügung steht. Dieser Fall tritt insbesondere ein, wenn die elektrische Energie aus einer Fotovoltaikanlage stammt, die so ausgelegt ist, dass zu Zeiten maximaler Sonneneinstrahlung mehr elektrische Leistung zur Verfügung steht, als von der Elektrolyseanlage benötigt wird.
Anstelle des festen Trocknungsmittels, also des Adsorbens, können auch flüssige Trocknungsmittel, also ein Absorbens, verwendet werden. Typische Absorbentien stellen wässrige Lö¬ sungen von Lithium-Halogeniden, insbesondere von LiCl oder LiBr dar. Es können aber auch Lösungen anderer anorganischer Salze, insbesondere von Kalium- oder Calciumhalogeniden oder anorganische Salze wie Kaliumacetat , Kaliumformiat oder
Kaliumlaktat oder auch ionische Flüssigkeiten als Absorbens eingesetzt werden. Auch jede andere Flüssigkeit, welche den Dampfdruck von Wasser herabsetzt, ist als Absorbens denkbar, wie insbesondere Glycole, welche bereits häufig für die Was¬ serabtrennung aus Gasströmen eingesetzt werden. Die Beladung und Regeneration des Absorbens findet vorteilhafterweise in Packungen statt, wobei das beladene Absorbat und das zu bela- dene Absorbens über die Packung strömen oder in anderen Worten verrieselt werden. Im Gegenstrom zum flüssigen Absorbens bzw. Absorbat wird die mit Wasser beladene feuchte Luft FLW (Beladung) oder trockene Luft (Desorption) geführt. Typischerweise werden die Packungen in Kolonnen angeordnet. Die Desorptionskolonne wird dann vorteilhaft beheizt. Es ist auch möglich den zu regenerierenden Strom oder die trockene Luft zu beheizen, um das Desorbieren vorteilhaft effizient zu ge¬ stalten. Der Einsatz eines Absorbens ermöglicht ein Verfahren mit einem niedrigeren Druckverlust, mit einer hohen volumenspezifischen Kapazität und damit einem kompakten Bauraum, eine geringere Anfälligkeit gegenüber Verunreinigungen und eine problemlose Lagerung des Trocknungsmittels.
Figur 4 zeigt eine schematische Übersicht des Verfahrens zur Kühlung eines Fluidstroms der Elektrolysevorrichtung 100 mittels eines Wärmetauschers 7, welcher von kühlem Rohwasser RWK, welches aus einer Verdunstereinheit 2 strömt, gekühlt wird. Den Wärmetauscher 7 verlässt der abgekühlte Fluidstrom 10 der Elektrolyseeinheit 100. Das Rohwasser, welches in dem Wärmetauscher 7 vorgewärmt wurde, wird als warmes Rohwasser RWW in die Verdunstereinheit 2 geführt. In die Verdunsterein¬ heit 2 wird ebenso frisches Rohwasser RW geführt. Im Gegen¬ strom zum Rohwasser RW wird feuchte Luft FL in die Verdunste¬ reinheit 2 geführt. In der Verdunstereinheit 2 geht Wasser W von dem Rohwasser RW auf die feuchte Luft FL über. Die Verdunstereinheit 2 verlässt somit mit Wasser angereicherte feuchte Luft FLW. Diese mit Wasser angereicherte feuchte Luft FLW wird in eine Wassergewinnungseinheit 3 geführt. In der Wassergewinnungseinheit 3 wird Wasser W aus der feuchten Luft FLW abgetrennt. Die Wassergewinnungseinheit verlässt also Luft L und Wasser W. Das Wasser W kann optional entweder zurück in die Elektrolyse als Edukt oder zurück in die Verduns¬ tereinheit 2 als Rohwasser RW geführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kühlen eines Fluidstroms (9) einer Elektro¬ lyseeinheit (100) und zur Wassergewinnung aus der Umgebungs- luft mit folgenden Schritten:
Führen von feuchter Luft (FL) mit einer ersten Molmenge Wasser in eine Verdunstereinheit (2),
Führen von Rohwasser (RW) in die Verdunstereinheit (2) im Gegenstrom zur feuchten Luft (FL) , wobei in der Ver- dunstereinheit (2) eine Temperatur von maximal der Siede¬ temperatur des Wassers herrscht,
Verdunsten von reinem Wasser (W) aus dem Rohwasser (RW) in die feuchte Luft (FL) , wobei sich das Rohwasser (RW) ab¬ kühlt,
- Führen des abgekühlten Rohwassers (RWK) in einen Wärmetauscher (7) und Führen des Fluidstroms (9) der Elektrolyse¬ einheit (100) in den Wärmetauscher (7), wobei Wärme von dem Fluidstrom (9) auf das Rohwasser (RWW) übertragen wird,
- Führen der feuchten Luft mit dem reinen Wasser (FLW) in eine Wassergewinnungseinheit (3) und Abtrennen einer zwei¬ ten Molmenge des reinen Wassers aus der feuchten Luft mit Wasser (FLW) in der Wassergewinnungseinheit (3) , wobei eine nach Abtrennung der zweiten Molmenge in der Luft ver- bleibende dritte Molmenge Wasser kleiner als die erste
Molmenge Wasser ist,
Zurückführen des vorgewärmten Rohwassers (RWW) in die Verdunstereinheit (2),
Zurückführen des abgekühlten Fluidstroms (10) in die
Elektrolyseeinheit (100) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rohwasser (RW) aus der feuchten Luft (FL) gewonnen wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur in der Verdunstereinheit (3) in einem Bereich von wenigstens 40°C bis maximal 55°C liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wassergewinnungseinheit (3) ein Kondensator, eine Absorp¬ tionseinheit oder eine Adsorptionseinheit (30) verwendet wird .
5. Verfahren nach Anspruch 4 wobei als Adsorptionsmittel Kie¬ selgel, ein Molsieb oder ein Zeolith verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Regeneration des Ad- oder Absorptionsmittels druck- und/oder temperaturge¬ trieben durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kondensator (3) mittels eines Wärmemediums betrieben wird, welches mittels Umge- bungsluft gekühlt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Molmenge reinen Wassers (W) wenigstens teilweise als Edukt in den Elektrolyseur (100) geführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdunstereinheit (2) bei einem niedrigeren Druck als die Wassergewinnungseinheit (3) betrieben wird.
10. Vorrichtung (1) zum Kühlen eines Fluidstroms (9) einer
Elektrolyseeinheit (100) und zur Wassergewinnung aus der Um¬ gebungsluft zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend eine Verdunstereinheit (2) geeig¬ net zum Verdunsten von reinem Wasser aus Rohwasser (RW) in einen feuchten Luftstrom (FL) und einen Elektrolyseur (100), wobei ein Fluidstrom (9) des Elektrolyseurs (100) mittels des Rohwassers (RW) kühlbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, mit einem ersten Wärmetau- scher (7) geeignet zum Erwärmen des Rohwassers (RWK) mittels der Abwärme eines Elektrolyseurs (100) vor dem Führen in die Verdunstereinheit (2).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der erste Wärmetauscher (7) ein Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher ist .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Verdunstereinheit (2) eine Packung oder Füllkörper umfasst.
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