NL8102905A

NL8102905A - Werkwijze voor het gebruiken en opslaan van energie uit de omgeving.

Info

Publication number: NL8102905A
Application number: NL8102905A
Authority: NL
Original assignee: Didier Werke Ag
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1981-06-16
Publication date: 1982-01-18
Also published as: ES8207579A1; US4484617A; AT394200B; IT1137496B; ZA814021B; SU1200858A3; IT8122041A0; GB8413674D0; ATA265981A; CH651915A5; BE889221A; FR2484618B1; GB2140152A; IL63095A; GB2083200B; ES503071A0; SE462686B; FR2484618A1; JPS5762395A; IL63095A0

Description

-1 - 8102905 SSi/wd/68

Werkwijze voor het benutten en opslaan van energie uit de omgeving

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het benutten en opslaan van energie uit de omgeving onder toepassing van een door middel van chemische reacties of sorpties werkend opslagmedium, zoals voor het kenmerk van conclusie 1 5 nader is omschreven.

Men heeft reeds voorgesteld uit de omgeving en in het bijzonder die van instraling van de zon, onder toepassing van een door middel van chemische reacties of sorpties werkend opslagmedium te gebruiken. Zo is bij voorbeeld het opslaan van 10 zónne-energie in een artikel in Solar Energy, 23 (1979), bladzijde 489 -495 beschreven, waarbij hier de adsorbtie-warmte van vocht aan zeolith-moleculaire zeven wordt gebruikt. Als nadeel is hier aangegeven dat betrekkelijk hoge temperaturen nodig zijn om de maximale opslagcapaciteit van het toe-15 gepaste zeolithmateriaal te kunnen benutten, bij voorbeeld 256°C, desalniettemin wordt hier aangegeven dat een opslag van energie in zeolith van voordeel is ten opzichte van een opslag in water, in gesteente of in met latente warmte werkende opslagmedia. Verdere reactiestelsels voor het opslaan 20 van warmte en het overdragen van warmte zijn beschreven in VDI-Berichte nr. 288, (1977), bladzijde 111-114. Voorbeelden van dergelijke systemen zijn:

Systemen met toepassing van ammoniak:

LiC1.4NH^ (vast) -=* LiCl (vast) + NH„ (gas) 3 - 3 25 CaCl„.8NH„ (vast) -=* CaCl„.2NH„ (vast) + 6 NKL (gas) Z 3 ·«=- Z 3 3 H^ö.rNH,, (vloeibaar -Ho0-(r-n)NH„(vloeibaar) + 3 3 *·*........ — 3 3 n NH^ (gas)

Systemen met toepassing van water:

LiCl.3H20 (vast) ^--------------— LlCl(vast) + 3H2° <9as) 30 H2S0^.rH20 (vloeibaar) — —-------------------*- H^SO^. (r-n)H20 (vloei baar) + nH20(gas)

Sorptiemiddel.H^O (vast) --*·“ Sorptiemiddel(vast)+ H20(gas)

Sorptiemiddelem zijn bij voorbeeld moleculaire zeven 81 02 9 0 5 -2- zoals natuurlijke of synthetische zeolithen, kieselgel (silicagel) en CaCl^.

Verdere systemen passen als sorbeerbare componenten methanol toe.

5 In het algemeen beantwoorden deze reacties of sorpties aan de volgende vergelijking:

AB + warmte -w A + B

C, 1 " .............

waarbij A overeenkomt met een opslagmedium in met energie geladen toestand met betrekking tot de component B, dat wil 10 zeggen bij reactie met of sorptie van de component B komt warmte vrij.

Een andere werkwijze voor het benutten van energie uit de omgeving vormen de zogenaamde warmtepompsysternen. Bij deze systemen wordt echter bij voorbeeld electrische stroom 15 of warmte van hoge temperatuur in nuttige warmte omgezet onder gebruikmaking van het warmtepqmpeffect, zodat in vergelijking met een rechtstreekse omzetting van deze energie in warmte een vermeerdering van de hoeveelheid warmte tot een factor in de grootteorde van 3 kan worden bereikt.

20 Het gebruikmaken van zonne-energie door middel van zonnecollectoren zoals tot dusver wordt toegepast, vertoont echter grote nadelen, omdat ten minste op de breedtegraden van Europa een voldoend sterke zonne-instraling slechts in de zomer mogelijk is, zodat een opslag van de met behulp van 25 zonnecollectoren opgevangen energie nodig wordt. Deze opslag levert echter belangrijke problemen op daar of slechts een opslag gedurende korte tijd mogelijk is, bij voorbeeld in voldoend grote warmteopslagreservoirs, met een bijpassende kostbare isolatie óf speciale en daardoor technisch kostbare 30 zonnecollectoren moeten worden toegepast, wanneer een opslag gedurende lange tijd wordt gewenst, bij voorbeeld in zeolith-opslaginrichtingen, daar hier de reeds hiervoor genoemde hoge temperatuur voor een volledige regeneratie van de opslagmid-delen nodig worden geacht. Bovendien is een regeneratie van 35 een dergelijke opslaginrichting voor een langere tijd praktisch slechts mogelijk in de zomermaanden met een sterke rechtstreekse zonneinstraling, zodat deze opslaginrichting voor het geval dat deze de enigste warmtebron vormt, een capaciteit moet hebben die voldoende is voor de gehele winterperiode.

81 02 9 0 5 -3-

De onderhavige uitvinding beoogt nu de energie uit de omgeving te benutten, waarbij van de tot dusver toegepaste mogelijkheden wordt afgeweken en een nieuwe weg wordt ingeslagen voor het benutten van de energie uit de omgeving.

5 De werkwijze volgens de uitvinding voor het benutten van energie uit de omgeving van de hiervoor beschreven soort onderscheidt zich, doordat a) bij het laden van energie de exergie van kleine niet-evenwichtstoestanden van de omgeving wordt verzameld, en/of b) bij het energie-ontladen 10 de in het uittredende, gasvormige, inerte dragermedium aanwezige restexergie wordt gebruikt voor het energieladen van een ander opslagmedium, waarin geen of slechts weinig exergie is geaccumuleerd.

Voordelige uitvoeringsvormen van de werkwijze volgens 15 de uitvinding zijn in de conclusies 2 tot 14 en in de volgende beschrijving nader omschreven.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op de toepassing van een dergelijke werkwijze voor het dekken van de verwarmings-en/of koude behoefte van gebouwen of voertuigen of gedeelten 20 van voertuigen of voor het bereiden van warm water of voor het dekken van de warmtebehoefte voor het voorverwarmen van verbrandingsmotoren.

De werkwijze volgens de uitvinding kan in het bijzonder worden toegepast in het bereik van lage temperaturen dat wil 25 zeggen bij temperaturen rondom en beneden 100 °C.

De in de beschrijving toegepaste uitdrukking "exergie" stamt uit de thermodynamica en betekent de vrije enthalpy resp. de technische arbeidscapaciteit van een systeem, betrokken op de toestand van de heersende omgeving. Bij de 30"exergie" gaat het om in andere energievormen om te zetten energieën. De uitdrukking "anergie", die eveneens uit de . thermodynamica stamt, betekent niet omvormbare energie, bij voorbeeld de calorische energie uit de omgeving. Voor een definitie zie: Lüger, "Lexikon der Technik, Verfahrenstechnik, 35 band 1, bladzijde 128/129 (1972).

Bij de bekende toepassing van zeolithopslaginrichtingen of andere sorptieopslaginrichtingen wordt het bij het energieladen van de opslaginrichting nodig beschouwd, dit te doen bij hoge temperaturen.

81 02 9 0 5 -4-

Verrassenderwijs werd nu gevonden, dat het ook mogelijk is dergelijke sorptieopslaginrichtingen bij belangrijke lagere temperaturen te regenererèn als tot dusver nodig werd geacht. Een regenerering van een dergelijke sorptieopslaginrichting 5 is bij voorbeeld ook bij de omgevingstemperatuur of zelfs bij lager dan de omgevingstemperatuur liggende temperaturen mogelijk, zoals in het volgende nader wordt beschreven. Er werd eveneens gevonden dat het mogelijk is dergelijke op-slaginrichtingen, voor zover ze met water als vluchtige 10 component worden bedreven, ook daardoor te regenereren, dat een inert gas met een tekort aan vochtigheid wordt toegepast.

Onder de in de beschrijving gebruikte uitdrukking "exergie van kleine niet-evenwichtstoestanden van de om-15 géving" moet men daarom zodanige omstandigheden verstaan, waarbij geen grote temperatuurverschillen optreden zoals bijvoorbeeld bij afstandsverwarming, afvalverwarming, verbran-dingswarmte, warmte die vrijkomt bij gistingsprocessen en fermentatieprocessen, waarvan de temperatuur betrekkelijk 20 laag kan zijn, bij voorbeeld beneden 50 °C en zelfs ook beneden 40 C. De toepassing van deze genoemde warmtebronnen behoeft wegens de in de tijd uit te spreiden en in de tijd willekeurig te onderbreken accumulatie van energie in de opslagmedia niet te worden ontworpen voor een mogelijke naar de 25 tijd gerekende topbelasting aan warmte, maar kan worden ontworpen voor de gemiddelde behoefte, gerekend over een jaar. Onder "kleinere niet-evenwichtstoestanden van de omgeving" moet men daarom zodanige niet-evenwichtstoestanden verstaan, die tot dusver bij de opslag voor lange perioden niet werden 30 gebruikt, bij voorbeeld slechts met gebruikmaking van warmtepompen, dat wil zeggen het op een hoger temperatuurniveau brengen, konden worden toegepast. Zo kan men bij voorbeeld bij kleine zonne-instraling, zoals in de winter, tijdens slecht weerperiode of vroeg in de morgen of laat in de avond het 35 geval is, via zonnecollectoren het opladen van de opslagin-richting verder laten plaatsvinden, ofschoon in de zonnecollectoren slechts warmte beschikbaar komt bij een zo laag temperatuurniveau, dat deze warmte voor een rechtstreekse warmteverzorging tot dusver niet kon worden gebruikt. Deze 81 02 9 0 5 -5- eigenschap/ dat warmte wordt toegepast van een temperatuur beneden de temperatuur, waarbij het onttrekken van de exergie voor het omzetten· van warmte uit het opslagmedium bruikbaar wordt, waarbij hier het op zich zelf bekende che-5 mische warmtepompeffect wordt gebruikt, geeft het verdere voordeel, dat een verkleining van het volume van opslagin-richtingen voor de periode van een jaar voor zonne-energie die bij voorbeeld worden toegepast voor verwarmingsdoeleinden, mogelijk wordt.

' 10 Het tweede grote voordeel van de inrichting volgens de uitvinding is daarin gelegen dat in de fase b) de rest-exergie wordt gebruikt, waardoor aanzienlijk meer aan de omgeving onttrokken energie kan worden gebruikt, zodat onder andere het volume van het opslagmedium belangrijk kan 15 worden verkleind, daar het ontladen opslagmedium tijdens het onttrekken van exergie gelijktijdig weer wordt opgeladen en dan weer ter beschikking staat voor het onttrekken van exergie.

Deze fase b) van de werkwijze volgens de uitvinding kan 20 natuurlijk ook dan worden toegepast wanneer men bij het ener-gieladen op de gebruikelijke wijze te werk gaat, bij voorbeeld wanneer een opslagmedium zoals zeolith met lucht van 250 °C is geregenereerd.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt bijzonder 25 voordelig uitgevoerd in een bedrijf met kolommen en bij toepassing van een vast opslagmedium ook ladingsgewijs, daar dan het nuttig effect bijzonder goed is en het bovendien mogelijk wordt de voor het bedrijf van de werkwijze noodzakelijke van buiten komende energie voor het verpompen van het inerte 30 gasvormige dragermedium lager te houden. Bij het toepassen van een vast opslagmedium zou de hoogte van een kolom voor het minimaliseren van de bij het transport van het dragermedium optredende drukverliezen moeten liggen bij waarden tussen 0,5 en 2 m en in het bijzonder tussen 0,75 en 1,5 m. Zeer 35 algemeen kan worden opgemerkt#dat deze van buiten komende energie of parasitaire energie voor het transport van het dragermedium, en eveneens de van buiten komende energie voor het verpompen van een vloeibaar arbeidsmedium en ook een opslagmedium, in vergelijking met de hoeveelheid op te slane 81 02 9 0 5 -6- energie klein is en in de grootte ligt van slechts weinige procenten van de hoeveelheid op te slane energie.

Bijzonder voordelig -is het wanneer als sorbeerbaar materiaal water wordt toegepast/daar dit in onbeperkte hoe-5 veelheden ter beschikking staat en de werkwijze kan worden toegepast in ten opzichte van de atmosfeer open omstandigheden. Bij het toepassen van andere sorbeerbare materialen zoals ammoniak of methanol is het natuurlijk nodig de werkwijze volgens de uitvinding uit te voeren in een ten op-• 10 zichte van de atmosfeer afgesloten kringloop, hetgeen echter een extra toepassing van bijbehorende warmtewisselaars nodig maakt. Het bedrijven van een gesloten systeem voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding wordt echter doelmatigerwijs slechts toegepast bij het gebruikmaken van 15 de exergie van kleine niet-evenwichtstoestanden in de vorm van temperatuurverschillen.

Wanneer bij de werkwijze volgens de uitvinding de exergie onder omzetting in kou moet worden gewonnen uit het opslagmedium, wordt deze kou gebruikt in de vorm van ver-20 dampingskoude, welke ontstaat wanneer vloeibare sorbeerbare componenten aan het beladen opslagmedium worden onttrokken. Hiertoe is het alleen maar nodig, een opslagvat met vloeibare sorbeerbare componenten in gasvormige aanraking met een geregenereerd opslagmedium te brengen.

25 De uitvinding zal in het volgende nader worden verdui delijkt aan de hand van de tekening met de volgende beschrijving, waarbij enige experimenteel verkregen resultaten zijn aangegeven. In de tekening toont: fig. 1 een stroomschema waarin het opslagmedium in 30 twee verschillende toestanden is afgebeeld, fig. 2 een stroomschema van de uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij een arbeidsmedium wordt toegepast, fig. 3 een stroomschema van een uitvoeringsvorm van de 35 werkwijze volgens de uitvinding waarin bij het toepassen van een arbeidsmedium extra energie door een zonnecollector wordt toqgevoerd, fig. 4 een stroomschema van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding waarin het winnen van ge- 81 02 9 0 5 -7- bruikswarmte volgens de fase b) in een gesloten en in een open kringloop nader wordt toegelicht, fig. 5 een stroomschema voor een op de wijze volgens de uitvinding werkende inrichting voor het verwarmen van ge-5 bouwen.

De werkwijze voor het beladen met exergie van het opslagmedium wordt in het volgende nader verduidelijkt, waarbij hier een zeolith-watersysteem wordt toegepast, in de in figuur 1 afgeheelde kolom I bevindt zich met waterdamp be- 10 laden, dat wil zeggen energetisch ontladen zeolith. Door deze kolom wordt van beneden af zo droog mogelijk omgevingslucht met de relatieve vochtigheid en de temperatuur geleid.

De kolom I dient tegelijkertijd als voorraadvat.

Zoals hiervoor reeds is beschreven,wordt zelfs bij de 15 omgevingstemperatuur, waarop zich het opslagmedium I bevindt, bij voorbeeld bij 20 °c waterdamp uit het zeolith gedesorbeerd en afgevoerd met de luchtstroom. De desorptiewarmte wordt bij een adiabatische uitvoering van het proces, dat wil zeggen bij een geïsoleerde kolom I, onttrokken aan de gasstroom of moet 20 bij een isotherme uitvoering van het proces voortdurend als omgevingswarmte (anergie) worden toegevoerd aan de kolom I.

Er ontstaat ten slotte een evenwicht tussen de belading n met water van het zeolith en de partiële waterdampdruk p^ van de van buiten toegevoerde luchtstroom n wordt des 25 te kleiner naar mate p kleiner wordt en naar mate de omge-vingstemperatuur hoger is, waarbij de quantitatie\e samenhang afhangt van de toegepaste zeolithsoort. Als voorbeeld voor een zeolith van het type X kan worden opgemerkt dat bij een T^= 25 °C een vermindering van de belading met water 30 van 27% wordt verkregen, dat wil zeggen van 0,29 g water/g zeolith by p = 100% op 0,21 g water/g zeolith bij pu= 10%. Dergelijke droge omgevingslucht staat echter bij bijzondere weersomstandigheden en in bepaalde aride zones ter beschikking. Wegens het verloop van de integrale adsorbtiewarmte van 35 dit type zeolith komt dit overeen met een energetische oplading van 21% van de totale opslagcapaciteit.

In aansluiting aan het "drogen" van het opslagmedium I in de kolom I staat dit als opslagmedium II in de kolom II, zoals rechts in figuur 1 is afgebeeld, ter beschikking. Bij ' het doorleiden van omgevingslucht met 100% relatieve vochtig- 81 02 9 0 5 -8- heid wordt de in het opslagmedium II opgeslagen energie via de condensatie en adsorbtiewarmte van waterdamp op het zeolith als temperatuurverhoging van de lucht van naar TQ bruikbaar. De 100% vochtige lucht kan men op bekende wijze door 5 het bevochtigen van omgevingslucht ter beschikking krijgen, bij voorbeeld eenvoudig door het doorleiden van lucht door of langs het water, waarbij de noodzakelijke verdampingswarmte van het water uit de omgeving bij de temperatuur τ , dat wil zeggen als anergie, wordt opgenomen. Vanzelfsprekend is 10 het ook nog mogelijk aan de aan het opslagmedium toegevoerde omgevingslucht met een tekort aan vocht nog extra warmte van ;een laag temperatuurniveau toe te voeren, bij voorbeeld uit een zonnecollector of in warmtewisseling met het gebruikte warme water uit een huishouding of uit andere bronnen, waar-15 door het nuttig effect van de energetische oplading van de opslaginrichting nog kan worden vergroot.

In figuur 2 is een stroomschema voor de werkwijze volgens de uitvinding onder toepassing van een arbeidsmedium afgebeeld. Als opslagmedium wordt hier eveneens weer zeolith 20 gebruikt als een vast waterabsorberend opslagmedium waaraan de voorkeur wordt gegeven, en waaruit adsorptief gebonden water door een droge luchtstroom wordt verwijderd. Door de desorptie van water wordt het opslagmedium met betrekking tot de omkeerbare reactie van de adsorptie van waterdamp ener-25 getisch opgeladen. De voor de energetische oplading van het Opslagmedium noodzakelijke droge luchtstroom wordt met behulp van een arbeidsmedium, dat in het onderhavige geval.eveneens een zeolith moet zijn, gewonnen uit het exergieverschil tussen niet volledig met waterdamp verzadigde omgevingslucht van een 30 relatieve vochtigheid μ^ kleiner dan 100% en een omgevingstemperatuur Tu en volledig met waterdamp verzadigde omgevingslucht met een relatieve vochtigheid μ = 100% en een omgevingstemperatuur T . De 100% vochtige lucht kan op de hiervoor beschreven wijze door het bevochtigen van omgevingslucht onder 35 dekking van de behoefte aan verdampingswarmte uit de anergie van de omgeving worden gewonnen. In de kolom I (figuur 2) bevindt zich bij het begin van het bedrijf een droog zeolith.

Bij het doorleiden van de met waterdamp verzadigde lucht ontstaat hete, droge lucht met een temperatuur·τ . Bij proeven 8102905 -9- werd gevonden dat bij lucht van = 20 °C een temperatuur van TQ = 85 °C wordt verkregen bij de uit het opslagmedium 1 uittredende lucht. De warmte ontstaat bij de.adsorptie van waterdamp aan het zeolith en het adsorptiefront schrijdt 5bij deze uitvoering van de werkwijze meer of minder schérp van beneden naar boven voort in het opslagmedium 1 dit wil zeggen het gaat om een quasi-tegenstroomprincipe. De, kolom is thermisch geïsoleerd. Via een continu verstelbare drie-wegafsluiter D^ wordt een deelstroom van de hete droge lucht ' 10in een tweede kolom 2 met een opslagmedium 2 gebracht.

Deze bevat eveneens zeolith die van tevoren door het doorleiden van zo droog mogelijk omgevingslucht met een relatieve vochtigheid /a kleiner dan 100% in een toestand is gebracht waarbij weinig water aanwezig is, wat kan worden uitgevoerd 15mét behulp van de kolom 3 uit figuur 2. Op deze gronden is een deelstroom van de lucht uit de kolom 1, die in dit geval wordt gevormd door het gasvormige inerte dragermedium, voldoende voor de waterdesorptie uit de kolom 2 en de reststroom van deze droge lucht uit kolom 1 kan als nuttige stroom 20worden gebruikt voor de energetische belading van het opslagmedium. De verhouding van de verdeling van de nuttige stroom tot de totale stroom van droge lucht is des te voordeliger naar mate de waterbelading in de kolom 2 kleiner is, dat wil zeggen naar mate de beschikbare omgevingslucht droger is.

25 Wanneer.het adsorptiefront in de kolom 1 boven is aangekomen, moet bij een juiste instelling van de verdelingsver-houding het zeolith in kolom 2 juist bevrijd zijn van de waterlading. De kolom 2 wordt dan geschakeld in plaats van de kolom 1, de kolom 3 in de plaats van de kolom 2 en de kolom 1 30 in de plaats van de kolom 3 . Op deze wijze wordt een vrijwel continu bedrijf mogelijk. Ten gevolge van verliesprocessen en niet-omkeerbaarheden en voor het waarborgen van een voordelige en economische wijze van bedrijf met betrekking tot het gebruik aan van buiten komende energie voor de circulatie van 35lucht ten opzichte van de verkregen, opgeslagen hoeveelheid energie,moet voor deze wijze van bedrijf de relatieve vochtigheid van de omgevingslucht zo klein mogelijk zijn en bij voorbeeld niet groter zijn dan 55%.

Daar op ieder moment een onderbreking van de exergie- 8102905 -10- ops lag mogelijk is kan de werkwijze zo worden bedreven dat door middel van geschikte automatische besturingsinrichtingen bij waarden van de omgevingslucht van fa groter dan 55%, de installatie wordt uitgeschakeld 5 en zich pas dan automatisch weer inschakelt wanneer de omgevingslucht een vochtigheid van fa kleiner dan 55% heeft bereikt.

In figuur 3 is een werkwijze afgebeeld onder^toepassing van zeolith als arbeidsmedium met water als sorbeerbare, 10 vluchtige component en lucht als dragermedium voor het verkrijgen van exergierijke, droge en warme lucht, waarbij het opslagmedium met energie wordt geladen, welke opslagmedium kan bestaan uit zeolith of zwavelzuur of een andere hygros-copische substantie.

15 De kolomen 1 en 2 zijn gevuld met het arbeidsmedium zeolith. Lucht uit de omgeving, die een zo laag mogelijk watergehalte moet hebben, wordt geleid door de kolom 1, die droog zeolith bevat. Daarbij wordt de lucht bevrijd van waterdamp en door de condensatie- en adsorptiewarmte van dit 20 sorptieproces gebracht van de aan de intree heersende tem- “ peratuur Tu op de hogere temperatuur T . Aansluitend wordt de temperatuur in een zonnecollector S verder verhoogd tot T2. De warme droge lucht stroomt dan door de kolom 2 die met waterdamp beladen zeolith bevat. De lucht verlaat tenslotte 25 met waterdamp beladen de kolom 2 ;. Beslissend is echter dat ten gevolge van het temperatuurverschil T~ - T uit de kolom

“ O

2 het daar aan het zeolith geadsorbeerde water sneller wordt verwijderd, dan dé kolom Λ. door het watergehalte van de aangezogen omgevingslucht met de relatieve vochtigheid yu^ wordt 30 bevochtigd. Het is daarom bij een bepaalde arbeidswijze mogelijk slechts een deelstroom door de kolom 2 te leiden die regeltechnisch via de driewegafsluiter D2 zo wordt gedimensioneerd, dat de kolom 2 dan droog is, wanneer de kolom 1 juist adsorptief volbeladen is met water. Door het aansluitende 35 verwisselen van de kolommen 1 en 2 in de stroombaan heeft men zo een constant luchtdroog- en een luchtverwarmingsbedrijf, dat wil zeggen het dragermedium wordt voortdurend met exer-gie beladen. De rest van de droge en warme lucht die via de driewegafsluiter D2 via de leiding b wordt afgevoerd,staat 81 02 9 05 -liter beschikking als nuttige stroom voor het overdragen van een exergie op de eigenlijke opslaginrichting met het opslagmedium.

Bij een andere werkwijze voor het verkrijgen van droge 5 en warme lucht, kan door de kolom 2 bij het begin de gehele luchtstroom worden geleid voor een snelle en volledige desorptie van het arbeidsmedium van water en aansluitend wordt de volle stroom als nuttige stroom voor het opslagmedium ter beschikking gesteld, tot de kolom 1 volbeladen is met water.

10 Dan worden de kolommen 1 en 2 verwisseld en de cyclus wordt opnieuw doorlopen. Voor het i.inkoppelen van warmte kan de zonnecollector S ook op de plaats E uit figuur 3 worden gebracht. Bij een geringe absolute vochtigheid van de buitenlucht en/of een grote zónne-instraling of voor een aanvanke-15 lijk voordrogen van het opslagmedium kan het voldoende en procestechnisch van voordeel zijn de kolom 1 geheel of gedeeltelijk via de driewegafsluiter kort te sluiten.

In plaats van een ladinggewijs bedrijf met een periodieke verwisseling van de kolommen 1 en 2 die in quasi-tegenstroom-20 bedrijf werken, kan bij toepassing van een vloeibaar hygros-copisch arbeidsmedium een echt tegenstroombedrijf plaatsvinden, waarbij het vloeibare arbeidsmedium, bij voorbeeld zwavelzuur, continu wordt rondgepompt.

De benodigde hoeveelheid van buiten komende energie voor 25 het laten circuleren van het dragermedium lucht ten opzichte van de daarbij verkregen energetische opslag aan energie is des te kleiner naar mate de relatieve vochtigheid ji van de intredende lucht lager is en de temperatuur hoger is.

Voor een vermindering van de warmteverliezen én de verliezen 30 ten gevolge van stromingsweerstand wordt,zoals hiervoor is beschreven,in een voordelige uitvoering een vast opslagmedium in de vorm van een aantal kolommen toegepast die een niet al te grote vulhoogte vertonen,zodat geen te grote drukver-liezen kunnen optreden, waarbij deze kolommen in de tijd ge-35 rekend na elkaar voor het laden of ontladen worden gebruikt.

Bij de wijze van werken volgens de figuren 1, 2 en 3 worden voorbeelden getoond waarbij het energieladen van het opslagmedium uit kleine niet-evenwichtstoestanden van de omgeving zoals temperaturen beneden 100 °C,waarbij deze zelfs i 81 02 9 0 5 o o ~12- onder de 60°C of 40 C kunnen liggen, of kleine zonne-instra-lingshoeveelheden/itiogelijk wordt. In de voorbeelden wordt met behulp van een droge 'en/of warme stroom inert gas als dragermedium,die op verschillende wijze kan worden verkregen, 5 door desorptie van waterdamp exergie in een hygroscopisch opslagmedium gebracht, respectievelijk hierin geaccumuleerd.

Deze werkwijze kan omschreven worden als een continue exer-gieoverdracht uit het stromende dragergas op het opslagmedium en daardoor als een continue accumulatie van exergie in het ' 10 opslagmedium. Een verdere niet-evenwichtstoestand wordt ge vormd door lucht met een relatieve vochtigheid ^u ^ 55%.

Bij de in het volgende beschreven werkwijze voor het winnen van nuttige warmte van hoge temperatuur, in het bijzonder voor het dekken van de behoefte aan warmte van gebouwen of voer-15 tuigen resp. gedeelten van voertuigen of voor het bereiden van warm water of voor het dekken van de warmtebehoefte voor het voorverwarmen van verbrandingsmotoren uit de exergieinhöud van het opslagmedium, is het niet van belang uit welke omgevingsbronnen exergie via het dragergas in het opslag-20 medium is opgeslagen. Daarom maken de drie beschreven werkwijzen mogelijk dat uit de opslaginrichtingen gebruikswarmte bij hogere temperaturen, bij voorbeeld in de grootteorde van 100°C wordt gewonnen, dan telkens beschikbaar was bij het opladen van de opslaginrichtingen.

25 Zo kan men bij voorbeeld bij kleine winterse zonne- •instralingen of bij zonneinstraling bij bedekte lucht via zonnecollectoren het opladen van de opslaginrichtingen verder laten plaatsvinden, ofschoon in de zonnecollector slechts warmte vrijkomt van een zo laag temperatuurniveau, dat deze 30 warmte voor een rechtstreekse warmteverzorging of een gebruik van de warmte niet zou kunnen worden toegepast.

In het volgende wordt de fase b) van de werkwijze volgens de uitvinding nader verduidelijkt. Voor het verkrijgen van gebruikswarmte door middel van de in het opslagmedium ver-35 zamelde energie kan men of bij een gesloten of in het bijzonder bij toepassing van een hygroscopisch opslagmedium, een open kringloop van het dragermedium toepassen. De werkwijzen worden bij wijze van voorbeeld aan de hand van figuur 4 beschreven.

Bij A wordt omgevingslucht met 100% relatieve vochtig- 81 02 9 0 5 -13- heid, zoals deze op bekende wijze door het bevochtigen en opnemen van verdampingswarmte uit de omgeving bij de omgevingstemperatuur, kan worden verkregen (benutting van de anergie) toegevoerd aan de kolom 1 die een droog, dat wil 5 zeggen een energetisch opgeladen, hygroscopisch opslagmedium bevat, in het bijzonder zeolith of zwavelzuur. De waterdamp wordt in een praktisch scherp front geabsorbeerd, dat bij een voortdurende luchttoevoer voortschrijdt door de opslag-kolom van beneden naar boven, waarbij het hier bij toepassing 10 van een vast opslagmedium weer gaat om een quasi-tegenstroom-bedrij f of bij toepassig van een vloeibaar hygroscopisch dragermedium, zoals zwavelzuur,door het rondpompen een stationaire toestand kan worden gehandhaafd, waarbij het hier gaat om een tegenstroomprincipe van een vloeistof-gassysteem. Wanneer 15 bij een vast opslagmedium het adsorptiefront het boveneind van de kolom I heeft bereikt en daardoor de exergie uit de kolom volledig is afgevoerd, wordt de luchtstroom overgeschakeld op een volgende, exergetisch geladen kolom, etc.

De wegstromende lucht heeft een ten opzichte van de in-20 treetemperatuur verhoogde temperatuur , omdat de totale condensatie- en adsorptiewarmte van het oorspronkelijke waterdampgehalte moet worden afgevoerd. Gebruikswarmte QN wordt in een aansluitende warmtewisselaar, bij voorbeeld voor verwarmingsdoeleinden, afgevoerd waarbij de luchtstroom 25 afkoelt tot op T^. is hierbij de laagste temperatuur waarbij de gebruikswarmte kan worden gebruikt. Bij toepassingen voor verwarmingsdoeleinden ligt deze waarde bij voorbeeld bij 30 °C. De overblijvende luchtstroom heeft ten opzichte van de intreetemperatuur die meestal overeenkomt 30 met de (koude) omgevingstemperatuur nog een rest aan warmta-energie, die bij een geleiding via de leiding B kan worden teruggewonnen in een warmtewisselaar. Daardoor stijgt de intreetemperatuur Ί\ van de intreelucht voor de kolom I, wat tot gevolg heeft dat ook stijgt. Op het vrij te kiezen 35 temperatuurniveau TN van de gebruikswarmte wordt door deze wijze van werken het positieve temperatuurverschil - T\ gesuperponeerd, afgezien van temperatuurverliezen in de onderste warmtewisselaar.

Bij een proef werd bij voorbeeld onder toepassing van 81 02 9 0 5 -14- zeolith als opslagmedium bij TA = 10 °C en = 30 °C een waarde voor gevonden van 65 °C, en bij een begintem peratuur TA = 0 °C met TN = 30 °C werd T_ = 47 °C en bij TA = -5 °C, bij TN = 30 °C werd Tf = 41 °C.

5 De bij deze wijze van werken via de leiding B verkregen uittredende lucht is na het uittreden uit de onderste warmte wisselaar droog en bevat dus nog exergie ten opzichte van de sórptie van waterdamp in hygroscopische opslagmedia. Deze restexergie van het dragermedium kan men weer accumuleren, 10 doordat men dit medium bij voorbeeld door een met waterdamp reeds beladen, dit wil zeggen energetisch reeds ontladen kolom II met een opslagmedium leidt. De uit deze kolom stromende lucht neemt dan waterdamp mee, waardoor in kolom II exergie wordt geaccumuleerd. Bij een thermisch geïsoleerde 15 kolom met zeolith als opslagmedium werd bii voorbeeld gevonden dat voor een intreetemperatuur van 10 ÜC de droge lucht uit de onderste warmtewisselaar in de kolom II*de temperatuur van de die kolom II verlatende lucht nabij 0 °C lag en dat deze lucht een partiële waterdampdruk van ongeveer 20 5 mbar had.

Bij deze wijze van bedrijf wordt dus bij de gelijke productie van gebruikswarmte een gemiddeld kleinere water-belading van het hygroscopische opslagmedium in de verhouding f = “ Pll}/Pi 25 verkregen, waarbij P de partitiële waterdampdruk van de intredende lucht bij A is. Bij p = 12,3 mbar, dat wil zeggen de verzadigingsdampdruk van water bij 10 °C en een waarde van p = 5 mbar krijgt men de waarde f = 0,6, dit komt overeen met een effectieve verhoging van de opslagcapaciteit 30 met de factor 1,67.

Dit betekent voor de gegeven getalwaarde, dat bij één volumedeel van de bij de exergieontlading gebruikte opslag-inrichting 0,6 volumedeel van een ander opslagmedium weer wordt beladen met exergie/dat wil zeggen in een cyclus extra 35 ter beschikking staan.

Bij een isotherm bedrijf van kolom II kan men nog grotere factoren van de vergroting van de opslagcapaciteit bereiken.

Via C-D is in figuur 4 een andere gesloten kringloop van het dragermedium afgebeeld. Gebruikswarmte wordt daarbij 81 02 9 0 5 -15- uitsluitend uit het in het medium van de kolom I opgeslagen energie gewonnen. Het yoordeel van de open kringloop, zoals die via de weg A-B in figuur 4 is afgebeeld, ligt daarin, dat met de waterdamp die met de lucht in de kolom I treedt, 5 de hoge latente verdampingswarmte ervan, die door de omgeving wordt geleverd, extra als nuttige warmte werd gewonnen, dat wil zeggen wordt gebruikt in een chemisch warmtepompeffeet.

Voor een zeolith van het type X zijn de te winnen hoeveelheden nuttige warmte per 1 zeolith-opslagmedium als 10 volgt: 1. Bij een intern gesloten kringloop C-D volgens figuur 4:

Qn = 0,12 kWh/liter zeolith 2. Bij toepassing van vochtige intreelucht in een open 15 kringloop volgens A-B volgens figuur 4:

Qn = 0,26 kWh/liter zeolith

3. Bij een uitvoering van het proces via de weg A-B zoals in geval 2,echter met gebruikmaking van de restenergie van de droge afgewerkte lucht bij een adiabatische kolom II

20 QN = 0,42 kWh/liter zeolith

Bij de hiervoor beschreven op laboratiumgrootte doorgevoerde proeven werden kolommen toegepast met een inwendige diameter van 3 cm voor het opslagmedium met een zeolith- vulling van 1 m hoogte en voor het arbeidsmedium dezelfde 25 kolommen echter met een zeolithvulling van 60 cm hoogte

Bij het toepassen van zwavelzuur als opslagmedium of als arbeidsmedium werd gewerkt in kolommen van 3 cm inwendige diameter die waren gevuld met raschigringen als vullichamen.

In figuur 5 is schematisch de constructie en de 30 schakeling van een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding afgebeeld, waarbij de nuttige warmte kan worden gebruikt voor verwarmingsdoeleinden.

Bij "Ein" wordt zo droog mogelijke omgevingslucht toegevoerd aan de inrichting 35 "St” geeft de ventilator aan voor de circulatie van het dragermedium dat wil zeggen de lucht. D is een waterbevochti-ger voor het verkrijgen van een verzadiging van waterdamp.

W.| komt overeen met de onderste warmtewisselaar uit figuur 4, 81 02 9 0 5 -16- , I, II en III zijn zeolithopslagkolommen, 1 en 2 zijn kolommen voor het arbeidsmedium, in het voorgaande geval eveneens gevuld met zeolith, S is een zonnecollector en is de warmtewisselaar voor het onttrekken van de nuttige energie.

5 Het voordeel van deze inrichting met een aantal zeolith-opslaginrichtingen is daarin gelegen, dat door een passende schakeling van de driewegafsluiter een opslaginrichting, bij voorbeeld kolom I als warmteleverende opslaginrichting kan worden bedreven, dat in kolcm II de in deration I tredende lucht 10 aanwezige exergie nog verder wordt bënut en dat de kolom III bij een passende zonneinstraling en’.het bedrijf van de droog-inrichting met de kolommen 1 en 2 met arbeidsmedium energetisch wordt beladen.

Als waarden voor de dimensionering van een op de wijze 15 volgens de uitvinding werkend systeem, kan nog worden aangegeven dat in Europa de zonneinstraling op de 50. breedte- -2-1 graad ongeveer 1100 kWh m a bedraagt. De verhouding tussen de gemiddelde instraling in juli en in januari bedraagt ongeveer 8:1. Een standaard eengezinshuis met een volledige 20 warmteisolering heeft ongeveer 25.000 kWh a nodig waarvoor 2 een collectoroppervlak van ongeveer 75 m nodig zou zijn.

Een warmwateropslaginrichting voor een jaar zou de irriële 3 grootte van ongeveer 40Om hebben bij een aangenomen jaarcyclusgetal 1,5. Het (practische) stookolieequivalent voor een

O

25 dergelijke opslaginrichting zou per jaar zijn. Bij toepassing van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding met gebruikmaking van een met zeolith werkende opslaginrichting heeft men bij de hiervoor beschreien werkwijze A-B volgens figuur 4 onder gebruikmaking van restenergie van de droge 30 afgevoerde lucht een opslagcapaciteit van 20 m bij een jaarcyclusgetal van 1,5 nodig. Wanneer men ervan uitgaat dat door gebruikmaking van zonneinstraling in de overgangs-maanden en in de winter een cyclusgetal van meer dan 2 zou kunnen worden gerealiseerd, zou de opslaggrootte kunnen worden 3 teruggebracht tot 15 m zeolith. Een dergelijke hoeveelheid 35 zeolith zou natuurlijk met voordeel over een groot aantal opslagkolommen kunnen worden verdeeld, bij voorbeeld over 20 opslagkolommen. Dankzij de werkwijze volgens de uitvinding wordt het daarom mogelijk ook sorptiematerialen zoals zeolith 8102905 * -17- voor het verwarmen van eengezinshuizen toe te passen daar enerzijds lage temperatuurbronnen voor het opladen van zeolithopslaginrichtingen kunnen worden toegepast en anderzijds bij de ontlading van de zeolithopslaginrichting door 5 gebruikmaking van de restenergie een ongeveer 70% hogere energiewinning in de vorm van warmte mogelijk wordt.

Als bijzonder voordelig is verder het toepassen van kiezelgel en in het bijzonder van kiezelgel met fijne poriën als opslagmedium en arbeidsmedium gebleken.

10 Bij de werkwijze volgens figuur 1 werd in de kolom I

lucht met een relatieve vochtigheid van = 3,2% en met een temperatuur Tu = 75 °C gebracht. In de kolom I bevond zich met waterdamp beladen, dat wil zeggen energetisch ontladen kiezelgel met kleine poriën, waarvan het watergehalte 15 39 gewichtsdelen water op 100 gewichtsdelen droge kiezelgel bedroeg. Bij het doorleiden van lucht werd dit kiezelgel in kolom I tot op een watergehalte van 2,7 gewichtsdelen op 100 gewichtsdelen droge kiezelgel gedroogd. De lucht met een temperatuur = 75 °C en p =3,2% werd verkregen 20 uit de omgevingslucht van 20 °C en een relatieve vochtigheid van p = 52,6 %,waarbij deze omgevingslucht in een zonnecollector op 75 °C werd verwarmd. Dergelijke omgevingslucht staat in de zomer bij een sterke zonneinstraling waarbij de gewenste temperatuurverhoging op 75 °C in een zonnecollector 25 eveneens.mogelijk is, zonder problemen ter beschikking.

Een op deze wijze tot op een watergehalte van 2,7 gewichtsdelen gedroogd, dat wil zeggen energetisch beladen, kiezelgel, kan naar believen lang worden opgeslagen en het levert, wanneer het volgens figuur 1 , in kolom II met 30 omgevingslucht van Tu = 10 °C en u = 100% wordt behandeld, een bovenste temperatuur Tq bij het uittreden uit de kolom II van ongeveer 40 °c. Dit is voldoende voor verwarmingsdoel-einden, bijvoorbeeld voor gebouwen tijdens het koude jaargetijde.

8102905

Claims

1. Werkwijze voor het gebruiken.en opslaan van energie uit de omgeving onder toepassing van een door middel van chemische reakties of sorptie werkend opslagmedium, waarin bij het energieladen exergie via een gasvormig, inert 5 dragermedium voor deze exergie in het opslagmedium tot een hoge dichtheid wordt geaccumuleerd en de opgeslagen exergie naar behoefte bij het ontladen door middel van een eveneens gasvormig inert dragermedium uit het opslagreservoir voor het omzetten in warmte of koude van een gewenst niveau wordt ont-10 trokken, met het'; kenmerk, dat a) bij het energieladen de exergie van kleine niet-evenwichts-toestanden van de omgeving wordt geaccumuleerd , en/of b) bij het energie ontladen de in het uittredende gasvormige. . inerte dragermedium aanwezige restexergie wordt gebruikt 15 voor het energieladen van een ander opslagmedium, waarin geen of slechts weinig exergie is geaccumuleerd.

2. Werkwijzé volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat voor het accumuleren van exergie in het opslagmedium in fase a) een sorptief aan het opslagmedium gebonden 20. vluchtige component door een gasvormig inert dragermedium wordt „gedesorbeerd, waarbij dit dragermedium slechts weinig of in het geheel geen sorbeerbare vluchtige componenten vertoont en bij het dóórstromen van het opslagmedium gebonden componenten hieruit opneemt, en dat voor het onttrekken van 25 exergie uit het geheel of gedeeltelijk gedesorbeerde opslagmedium in fase b) onder het winnen yan warmte .'.in sorbeerbare componenten in een hogere concentratie dan bij de . desorptietrap bevattende inerte gasstroom hierdoorheen wordt geleid.

3. Werkwijze volgens conclusie 2., met het ken merk, dat men het gasvormige inerte dragermedium met een laag gehalte aan sorbeerbare vluchtige componenten voor het in het opslagmedium leiden in fase a) eerst door een van sorbeerbare componenten vrij werkmedium leidt voor een zö 35 volledig mogelijke verwijdering van sorbeerbare componenten, 8102905 ... . -19- en dat men een deelstroom van het van sorbeerbare componenten bevrijde dragermedium gebruikt voor het energieladen · van het werkmedium en de rest van de deelstroming van dit dragermedium gebruikt voor de desorptie van het opslagmedium.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat aan het zo volledig mogelijk van sorbeerbare componenten bevrijde, gasvormige inerte dragermedium of aan het gasvormige inerte dragermedium vóór het doorleiden door het arbeidsmedium warmte wordt toegevoerd, in het bijzonder 10 door middel van een ook bij een geringe zonnestraling met een kleine temperatuurverhoging werkende zonnecollector ofwel uit warmtebronnen van een laag temperatuurniveau.

5. Werkwijze volgens.conclusie 4, met het ken-merk,, dat warmte wordt toegepast met een temperatuur beneden 15 de temperatuur waarbij bij het onttrekken van exergie in de vorm van warmte uit het opslagmedium, eventueel onder gebruikmaking van een chemisch warmtepompeffekt, de warmte wordt gebruikt. / . 6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het ken- 20 merk, dat men het bij de energie-ontlading in fase b) uit het opslagmedium tredende, van sorbeerbare componenten bevrijde inerte dragermedium door met gesorbeerde componenten beladen opslagmedium leidt voor een volledige of gedeeltelijke desorptie van de componenten.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclu sies, met het kenmerk, dat als opslagmedium gebruik wordt gemaakt van een hygroscopische stof en dat als sorbeerbare vluchtige componenten water en als dragermedium lucht wordt gebruikt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het ken merk, dat als opslagmedium kiezelgel wordt gebruikt.

9. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat als opslagmedium een zeoliet wordt gebruikt.

10. Werkwijze volgens conclusie 7, met het ken-25 merk, dat als opslagmedium zwavelzuur wordt gebruikt.

11. Werkwijze volgens een der conclusies 3-5, 8102905 . ' -20- met het kenmerk, dat als arbeidsmedium een zeoliet wordt gebruikt.

12. Werkwijze volgens een der conclusies 3-5, met het kenmerk,dat als arbeidsmedium zwavelzuur wordt ge-5 bruikt.

113. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men het accumuleren van de exer-gie in het opslagmedium en/of het onttrekken van de exergie aan het opslagmedium, en/of de bevrijding van het dragerme-10 dium van sorbeerbare componenten in het arbeidsmedium evenals de regenerering hiervan uitvoert in een tegenstroompro-ces.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat men bij gebruikmaking van een vast opslagmedium 15 en/of een vast arbeidsmedium deze ladingsgewijs gebruikt.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat men het vaste opslagmedium in de vorm van een aantal met dit opslagmedium gevulde kolommen toepast.

16. Toepassing van de werkwijze volgens een der 20 voorgaande conclusies voor het dekken van de behoefte aan / ·, warmte en/of koude, van gebouwen of voertuigen of voor het bereiden van warm water.

17. Toepassing van de werkwijze volgens een der conclusies 1-15, voor het dekken van de warmtebehoefte voor 2> het voorverwarmen van verbrandingsmotoren.