WO2012113458A1 - Verfahren zum betrieb einer absorptionskältemaschine zur erzeugung von kälte und/oder wärme und system zur erzeugung von wärme und/oder kälte - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer absorptionskältemaschine zur erzeugung von kälte und/oder wärme und system zur erzeugung von wärme und/oder kälte Download PDF

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WO2012113458A1
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heat
absorption chiller
stirling engine
supplied
waste heat
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PCT/EP2011/052837
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Günther KIMMIG
Elmar Sporer
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Aeteba Gmbh
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Publication date
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/002—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy
    • F25B27/007—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy in sorption type systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
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    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
    • Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an absorption refrigeration machine for generating cold and / or heat according to claim 1 and a system for generating heat and / or cold according to claim 21.
  • Absorption chiller also leads to a heavy burden on the environment.
  • the invention is based on the object, a method for operating a
  • Absorption chiller show that consumes less resources.
  • the object is achieved by a method for operating an absorption refrigeration machine for generating cold and / or heat according to claim 1 and a system for generating heat and / or cold according to claim 21.
  • the object is achieved by a method for operating a
  • Dissolved absorption refrigeration machine for generating cold and / or heat, wherein the waste heat of a Stirling engine of the absorption chiller, in particular an expeller of the absorption chiller for expelling a refrigerant from a solvent of the absorption chiller, is supplied.
  • the advantage of this is that the absorption chiller in addition to the waste heat of the Stirling engine requires no additional heat or consumed. There is no need for specially generated heat to be supplied to the absorption chiller. As a result, fewer resources are used and the environment is protected.
  • the waste heat The Stirling engine, which is the only resource required, is a so-called waste product in a Stirling engine. Due to the relatively high temperature of the
  • the absorption chiller can be operated with high efficiency.
  • the costs of operating an absorption chiller are significantly reduced.
  • the Stirling engine can, for example, in contrast to steam - power plant processes, which are reliant on extreme recooling, optimally ⁇ 30 ° C, are relocated with significantly higher recooling temperatures.
  • temperatures of the waste heat of approx. 80 ° C cold water of approx. 6 ° C - approx. 20 ° C can be produced by means of the absorption chiller. That's enough for all building and also for many different process cooling purposes.
  • the Stirling engine may drive an electric generator to generate electrical power.
  • the advantage of this is that not only are fewer resources required for the operation of the absorption chiller, but also additional resources, in the form of electric current, are generated by the method.
  • other devices can be supplied with energy with the generated electric power, without a power grid must be present.
  • the current generated by the Stirling engine becomes
  • the absorption chiller in addition to the waste heat of the Stirling engine requires no additional resources to operate. This protects the environment and saves costs. As long as the Stirling engine is running, the absorption chiller by means of this method can be operated independently, in particular without connection to the mains. This is particularly advantageous in developing countries and remote areas without a (stable) power grid. In addition, the
  • Absorption chiller be operated by this method continue, if there should be a power failure of the power grid to which the absorption chiller is connected.
  • the absorption chiller only needs a Stirling engine (with an electric power generator) to operate, and this in turn needs only a thermal gradient to operate.
  • the Stirling engine can by combustion of gas and / or LPG,
  • the Stirling engine is replaced by one or more solar collectors bundling the sunlight, in particular parabolic mirrors,
  • the sunlight collimated by the solar collectors is directed to the Stirling engine with the Stirling engine stationary.
  • the advantage of this is that in a simple way the waste heat via permanently installed, rigid pipes from the Stirling engine to the
  • Absorption chiller can be performed.
  • the stationary position of the Stirling engine makes maintenance easier.
  • a part, in particular more than half, of the current generated by means of the Stirling engine is fed into the power grid.
  • An advantage of this is that the costs are further reduced, since the operator of the power grid or the state pays a fee for the feed of the electricity.
  • cold and heat from a Stirling process about 20% of the electricity generated to drive the absorption cooling process is needed. 80% can be used elsewhere or fed into the grid.
  • the waste heat of the absorption chiller can be fed to a buffer memory.
  • the advantage of this is that the waste heat of the absorption chiller is temporarily stored for later use.
  • the absorption chiller can be used as a heat pump. As a result, heat can be generated inexpensively and energy-efficiently, if no cold of the absorption chiller is needed, for. B. when in winter instead of cold heat is needed for heating. Waste heat of the absorption chiller can be fed to a high-temperature heat pump.
  • One advantage of this is that the heat still present after the absorption chiller continues to be used instead of being released to the environment. This increases the energy efficiency of the process.
  • cold generated by the absorption chiller is fed to a heat exchanger for cooling supplied moist outside air.
  • the outside air is cooled to a temperature below the dew point temperature of water for precipitating water, in particular drinking water, from the supplied moist outside air.
  • Cold produced by the absorption chiller can be one
  • Compression chiller for recooling a working fluid of
  • Compression chiller be supplied.
  • the advantage of this is that their efficiency is significantly increased by the re-cooling of the compression refrigeration machine.
  • a fluid of the Stirling engine can be cooled by means of a chiller, in particular by means of a compression chiller, and / or heated by means of a heat pump, in particular by means of a compression heat pump.
  • Absorption chiller be present.
  • waste heat is supplied to the high-temperature heat pump of the absorption chiller. That way, the entire
  • Waste heat of the Stirling engine can in a memory, in particular a
  • Cold produced by the absorption chiller can be stored in a tank
  • an ice storage and / or a latent heat storage are stored.
  • cold produced by the absorption chiller can also be made available when the absorption chiller is not currently being operated. Also, excess cold can be stored for later use.
  • At least a portion of the heat from the storage is supplied to a heat pump.
  • Heating of building spaces can be provided sufficiently.
  • the waste heat of a compression refrigeration machine can be supplied to a heat pump. In this way, even in winter operation, when no (sufficient) heat is provided by the Stirling engine and / or the heat accumulator, it is ensured that heat can be provided for heating of building spaces to a sufficient extent. In addition, the system can always be operated with optimum efficiency.
  • waste heat of the Stirling engine is a
  • the object is also achieved by a system for generating heat and / or cooling comprising a Stirling engine and an absorption chiller, wherein waste heat of the Stirling engine of the absorption chiller, in particular an expeller of the absorption chiller for expelling a refrigerant from a solvent of the absorption chiller, can be fed.
  • Waste product in a Stirling engine Due to the relatively high temperature of the waste heat of a Stirling engine, the absorption chiller can be operated with high efficiency. The operating costs of such a system are very low.
  • the system further includes an electrical generator for generating electrical power that is driven by the Stirling engine.
  • the system further comprises solar collectors bundling the sunlight, in particular parabolic mirrors, Fresnel mirrors and / or parabolic troughs, for supplying heat to the Stirling engine.
  • solar collectors bundling the sunlight, in particular parabolic mirrors, Fresnel mirrors and / or parabolic troughs.
  • the generated stream can be fed to the absorption chiller.
  • the absorption chiller can be operated autonomously in this system, in particular without connection to the mains. This is especially in
  • the absorption chiller in this system can continue to operate if it should give a power outage of the power grid to which the absorption chiller is connected.
  • Absorption chiller needs only a Stirling engine (with an electric power generator) to operate, and this in turn needs only one
  • the waste heat of the Stirling engine is a
  • Waste heat of the Stirling engine can also be usefully used if at the location of the Stirling engine currently or generally neither heat nor cold the absorption chiller is needed.
  • Seawater is evaporated and the steam is converted into drinking water by condensation. The energy contained in the steam can be used again for preheating the inflowing seawater.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the operation of
  • Fig. 2 is a schematic representation of the power and heat generation in
  • Fig. 3 is a schematic representation of the operation of
  • Fig. 4 is a schematic representation of the operation of
  • Fig. 5 is a schematic representation of the operation of
  • Fig. 6 is a schematic representation of the use of waste heat of
  • Fig. 7 is a schematic representation of the operation of
  • Fig. 8 is a schematic representation of the use of waste heat of
  • Fig. 9 is a schematic representation of the heat and cold generation at night and cloudy, as well
  • Fig. 10 is a schematic representation of a stationary Stirling engine with
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the operation of the absorption chiller 30 in the summer. From the sun 26 outgoing sunlight 27 is from a
  • Parabolic mirror 28 bundled mirrored on a Stirling engine 10.
  • the Stirling engine 10 drives an electric generator (not shown).
  • the parabolic mirror 28 is tracked biaxially according to the position of the sun.
  • the collimated sunlight 27 supplies heat to the Stirling engine 10.
  • the Stirling engine 10 which is heated by the collimated sunlight, and the environment into mechanical work.
  • the Stirling engine 10 may be an Alpha Stirling or a Beta Stirling.
  • the generator in the Stirling engine 10 converts the mechanical work into electrical energy. Approximately 25% of normal direct sunlight (DNI) is converted into electrical energy.
  • the electrical energy, indicated by an arrow 15, may be fed into the grid or used for the absorption chiller 30 or other devices.
  • a buffer 80 is also a water storage, latent heat storage, chemical storage, thermal oil storage or a
  • heat with a capacity of approximately 140 kW is conducted from the buffer reservoir 80 to an absorption chiller 30.
  • Absorption chiller 30 absorbs 140 kW from the waste heat of the Stirling engine 10 and the buffer memory 80.
  • the heat is used in the absorption chiller 30 to boil the refrigerant from the solvent in the generator.
  • the absorption chiller 30 releases air-conditioning refrigeration at a temperature of about 6 ° C. to about 20 ° C. and in this case absorbs 100 kW of heat or releases about 100 kW of air-conditioning refrigeration (indicated by an arrow 16).
  • Absorption chiller 30 is exemplified in Fig. 1 100 kW.
  • the absorption chiller 30 is multi-stage, in particular two or three stages.
  • the climate refrigeration is delivered by a climate-friendly refrigerant, which preferably has zero ozone depletion potential (ODP) and a global warming potential (GWP) of zero and 3, respectively.
  • the absorption chiller 30 has a coefficient of performance (COP) of about 12.
  • the absorption chiller 30 outputs 240 kW of heat (indicated by an arrow 17) to a recooler 85 having a
  • Such a system can be considered as an actual climate-neutral system. Less than 20% of the solar generated electricity is needed for the complete heating and cooling process. This means that a solar cooling system based on this principle can produce 4 times more electricity during the cooling process than for the
  • a SolarCooling system based on the parabolic mirror Stirling generator principle relieves the burden on public power grids in two ways: 1. For cooling purposes, no energy is drawn from the grid; 2. It is, especially at peak load times, about 4 times more energy fed into the network as is needed for the absorption cooling purpose.
  • Waste heat recovery Even at approx. 80 ° C waste heat, most building and many process heating loads can be covered.
  • For cooling can also use a
  • Temperature level of 80 ° C cold water of about 6 ° C - 20 ° C are produced. That's enough for all building and also for many different process cooling purposes.
  • Absorption process is removed via a recooler 85.
  • Per 1 m 2 of installed collector surface can be about 250 Wp (Watt peak) generate electricity and about 400 Wp cold.
  • cooling capacity between 2.5 m 2 and 5 m 2 collector area are required per 1 kW of generated cooling capacity.
  • a precise interpretation is based on the given framework and the desired solar coverage.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of electricity and heat generation in winter.
  • the heat from the buffer memory 80 (indicated by an arrow 18) is conducted directly into the building 90 to be heated. Therefore, the recooler 85 is not needed.
  • the heat supplied to the building 90 has a temperature of approx. 40 ° C to approx. 95 ° C. It is also conceivable that the heat is fed to a process instead of a building 90.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the operation of the absorption chiller 30 and the use of waste heat of the absorption chiller 30 in the summer. Of the in Fig. 3 is quite similar to the process illustrated in FIG. 1.
  • the waste heat of the absorption chiller 30, which is indicated by an arrow 17 is not supplied to a recooler 85 in Fig. 3, but the waste heat is z. B. for thermal baths, heating of swimming pools, preheating of
  • Absorption chiller 30 has a temperature of up to about 40 ° C.
  • Waste heat can be extended by a recooler 85 so that the recooling of the absorption process is always ensured.
  • Applications in which the entire producible cold and waste heat can be used are extremely economical and pay off, at current energy costs and
  • Feed-in tariffs usually already in less than 5 years.
  • the cold produced by the absorption chiller 30 can alternatively be removed to be used for air conditioning, for example in winter, to the air or environment (heat pump principle).
  • the high temperature heat pump 70 uses e.g. H 2 O, NH 3 , C0 2 , C 3 H 8 or another climate-friendly refrigerant having zero ozone depletion potential (ODP) and zero or 3 global warming potential (GWP).
  • the high-temperature heat pump 70 has a coefficient of performance (COP) of about 4.
  • the high-temperature heat pump 70 generates useful heat (indicated by an arrow 19) up to about 100 ° C, the z. B. for process heat, a building heating or
  • Water heating can be used.
  • high temperature heat pump 70 high-temperature heat can be up to more than about 100 ° C, to very good efficiencies generated. Per generated kWh of cooling energy will be approx. 2.4 kWh of waste heat generated.
  • a NH 3 heat pump total of only 1 m 2 collector surface 250 Wp electricity 400 Wp cold and 1150 Wp hot water, z. B. 80 ° C are generated.
  • Such a combination is always suitable when hot water up to 100 ° C can be used meaningfully, eg. B. water heating, radiator heating systems,
  • the cold of the absorption chiller 30 may be released to the environment in winter or used to cool a room that also needs to be cooled in winter. This can be z. B. be a server room.
  • the absorption chiller 30 can also be used as a heat pump. In the case of LiBr absorption chillers can reach outside temperatures of about 10 ° C from the outside air or other
  • Heat sources z. B geothermal, groundwater, etc. are obtained as a heat source together with the drive temperature from the Stirling engine hot water to about 40 ° C.
  • the heat pump operation can continue even with negative outside temperatures, the possible
  • Fig. 5 shows a schematic representation of the operation of the absorption chiller 30 and the production of drinking water in the summer. The of the
  • Absorption chiller 30 generated cold is supplied in the form of cold water at a temperature of 6 ° C or 12 ° C a heat exchanger 75.
  • Heat exchanger 75 is also supplied outside air (indicated by an arrow 20) with a high moisture content.
  • the moisture content is z. At 30 ° C, 16 g / kg.
  • the outside air is in the heat exchanger 75 to a temperature below the
  • Dew point temperature of water cooled As a result, water falls out of the air. With the appropriate quality of air, this water can be used as drinking water.
  • the cooled air can be used as a conditioned supply air (indicated by an arrow 21) with a lower moisture content.
  • Moisture content after the heat exchanger 75 is z. B. at 16 ° C 10 g / kg.
  • the waste heat of the absorption chiller 30, which has a temperature of up to about 40 ° C, can in Fig. 5, for example, a recooler 85, a high-temperature heat pump 70 are supplied or the waste heat can be used directly for heating. Other ways of using the waste heat of the
  • Absorption chiller 30 are conceivable.
  • the waste heat can be used as in the other embodiments shown. Due to the quadruple use of the system, electricity, air conditioning, drinking water and heating energy, such a system is extremely economical and pays for itself in less than 5 years. If there is no cold but heat is needed, the system is still very economical, then pure outside air is cooled, as a source for the heat pump function. If neither cold nor heat is needed, it is more economical to produce drinking water by evaporation directly from the waste heat of the Stirling process if there is access to the sea.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of the use of waste heat of
  • the seawater desalination apparatus 100 includes a first supply line 102 through which raw seawater is supplied.
  • the raw seawater is a heat exchanger 103 of the
  • Seawater desalination apparatus 100 is supplied, in which the water is preheated by the steam generated in the seawater desalination apparatus 100. From here it passes through a second pipeline 104 to the evaporator 105 of the seawater desalination apparatus 100.
  • the evaporator 105 can consist of a tube bundle, for example.
  • the evaporator 105 is the waste heat of the
  • the (drinking) water can be taken directly and used or can be fed into a pipe system.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of the operation of the absorption chiller 30 for cooling a building space in the summer.
  • the Stirling engine 10 and the Stirling engine with generator has a total power of 50 kW electric.
  • Fig. 7 approximately 40 megawatt hours of electricity per year are generated by the generator of the Stirling engine 10. Approximately 130 megawatt hours per year of waste heat of the Stirling engine 10 are conducted to the buffer memory 80.
  • the buffer 80 has a volume of about 22.5 m 3 . Larger or smaller volumes are conceivable. Since the buffer 80 does not hold the heat lossless, only 127 megawatt hours per year are fed to the absorption chiller 30. Of the
  • Absorption chiller 30 generates about 215 megawatt hours of waste heat per year.
  • the backup compression chiller / heat pump 130 which has a coefficient of performance (COP) of about 4.5, about 20 megawatt hours per year of waste heat are generated (indicated by an arrow 25).
  • the absorption chiller 30 provides approximately 18.2 megawatt hours per year for the air conditioning refrigeration. Thus, 33.5 megawatt hours per year are available for air conditioning with a temperature of 7 or 14 ° C.
  • the compression refrigeration machine 150 which has a coefficient of performance of about 6, 1 and 5, 210 megawatt hours per year of product refrigeration (indicated by an arrow 22) with a temperature of 3 ° C and 0 ° C (brine) produced.
  • the compression refrigeration machine 150 generates 250 megawatt hours of heat per year (indicated by an arrow 23), of which 185 megawatt hours per year are passed to the recooler 85. The other part, amounting to 65 megawatt hours per year, is delivered to the absorption chiller 30.
  • Compression chiller 150 or only one of the two can one
  • Scroll compressors include. Other types of compressors are conceivable.
  • FIG. 7 schematically illustrated method can be generated electricity and cold in the summer.
  • the cold can be used, for example, for a supermarket, for rooms of the food industry, for rooms of dairies, etc.
  • such a method is used for a 1,500 m 2 shopping market in the Bolzano region.
  • the cooling capacity of the absorber of the absorption chiller 30 is to be interpreted as that at outside temperatures above z. B. 20 ° C, the recooling of the compression refrigeration can be additionally provided via SolarCooling. This results in a significant improvement in the efficiency of the normal refrigeration of
  • Compression chiller / heat pump 150 Compression chiller / heat pump 150.
  • the compression chiller / heat pump 150 may be able to take on the then required room cooling in addition.
  • the re-cooling of the compression chiller 150 then takes place via the recooler 85 of the
  • Fig. 8 shows a schematic representation of the use of waste heat of
  • Air conditioning heating The heat produced by the heat pump 130 and the heat dissipated directly from the buffer 80 is used to heat the space 90.
  • the temperature of the fluid for heating here is 45 ° C or 30 ° C and transmits energy in the amount of about 74 megawatt hours per year.
  • a compression refrigeration machine 150 which has a coefficient of performance of about 6.1, emits 109 megawatt hours per year of cold as product refrigeration or absorbs a corresponding amount of heat.
  • the product refrigeration has a temperature of minus 3 ° C or 0 ° C (brine).
  • the heat generated by the compression refrigeration machine 150 amounting to 127 megawatt hours per year, is released partly to the recooler and partly to the heat pump 130. 79 megawatt hours per year are discharged to the recooler 85, while 48 megawatt hours are fed to the heat pump 130.
  • SolarCooling method is only about 20 megawatt hours per year. In order to produce the same amount of cold and heat using a conventional process, an energy requirement of approx. 71 megawatt hours per year is required.
  • a supermarket or a building space 90 is heated via the directly accumulating and the stored solar energy. If no solar radiation is available and consumes the directly usable portion of the stored heat, the heat pump function of the heat pump 130 takes over the heating of the Market. In order to achieve optimal efficiency here too, the
  • Residual energy supplied from the buffer memory 80 as the source temperature of the heat pump 130 is Residual energy supplied from the buffer memory 80 as the source temperature of the heat pump 130.
  • Compression refrigeration and oil or gas boilers will have primary energy savings of up to 80% and hence also reductions in C0 2 emissions in the same
  • High temperature heat pump produces approx. 300 kW of heat. 160 kW thereof are used as useful heat with a temperature above about 100 ° C z.
  • Process heat used for heating buildings or for heating water. 140 kW thereof are supplied to the absorption chiller 30.
  • High-temperature heat pump 70 has a coefficient of performance of about 4.
  • Absorption chiller 30 has a coefficient of performance of approx. 12th
  • the absorption chiller 30 releases air-conditioning refrigeration of 100 kW at a temperature of 6 ° C to 20 ° C.
  • the cold can be delivered to a room that also has to be cooled at night. This can be, for example, a server room.
  • the absorption chiller 30 generates waste heat of 240 kW, which is supplied to the high-temperature heat pump 70. In the in Fig. 9, the absorption chiller 30 is used as a heat pump.
  • a backup can be provided.
  • the backup may be on the cold side of the Stirling engine 10 a compression chiller or on the warm side of the Stirling engine 10 a Boiler or a compression heat pump.
  • each kWh of heat supplied to the burner at approx. 650 ° C, 0.25 kWh of electricity, 0.4 kWh of cooling and 0.96 kWh of low-temperature waste heat can be generated.
  • Such a system would correspond to the combination of a conventional solar dish Stirling system with a BH KW Stirling system, in which the heat absorber of the BH KW Stirling system is located at the focal point of the parabolic mirror 28. Since the heat input is supplied to the Stirling engine 10 in contrast to the otherwise known internal combustion engines from the outside, in principle, any conceivable fuel can be used.
  • Heat pump 70 for driving the absorption chiller 30 use.
  • the entire drive energy of the absorption chiller 30 can be generated and approx. 50% of the otherwise achievable heating energy can be generated up to 100 ° C.
  • This combination can not generate electricity but is more energy efficient than separate generation of heat and cold via compression refrigerators and gas boilers.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a Stirling engine 10 with generator with a backup burner 170.
  • the waste heat of the Stirling process has a temperature of about 75 ° C. to approx. 95 ° C and corresponds to approx. 60% of direct normal
  • the waste heat is fed to a buffer memory 80, the (power) network or customers.
  • the backup burner 170 may be gas, oil or renewable
  • the Stirling engine 10 with generator is not arranged in the focal point of the parabolic mirror 25 in FIG.
  • a further mirror 180 is arranged, which guides the collimated sunlight 27 to a deflecting mirror 185.
  • the deflecting mirror 185 guides the collimated sunlight 27 to the Stirling engine 10 with a generator that is stationary.
  • the parabolic mirror 28 is tracked biaxially to the sun.
  • Seawater desalination apparatus preheated sea water

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine (30) zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme aufgezeigt, wobei Abwärme eines Stirlingmotors (10) der Absorptionskältemaschine (30), insbesondere einem Austreiber der Absorptionskältemaschine (30) zum Austreiben eines Kältemittels aus einem Lösungsmittel der Absorptionskältemaschine (30), zugeführt wird.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme und System zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme gemäß Patentanspruch 1 und ein System zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte gemäß Patentanspruch 21.
Bei bisher bekannten Verfahren zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine muss sehr viel Energie aufgewendet werden, um Wärme für den Betrieb zu erzeugen.
Insbesondere zum Austreiben des Kältemittels aus dem Lösungsmittel wird viel Wärme benötigt. Nachteilig an bisher bekannten Verfahren ist, dass die benötigte Wärme durch Verbrennung von fossilen Rohstoffen oder durch Umsetzung von elektrischem Strom in Wärme erst erzeugt werden muss. Folglich ist der
Ressourcenverbrauch bei bisher bekannten Verfahren groß. Hierdurch entstehen hohe Kosten. Die Erzeugung von Wärme allein für den Betrieb der
Absorptionskältemaschine führt zudem zu einer starken Belastung der Umwelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betrieb einer
Absorptionskältemaschine aufzuzeigen, bei dem weniger Ressourcen verbraucht werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme nach Patentanspruch 1 und ein System zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte nach Patentanspruch 21 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer
Absorptionskältemaschine zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme gelöst, bei dem Abwärme eines Stirlingmotors der Absorptionskältemaschine, insbesondere einem Austreiber der Absorptionskältemaschine zum Austreiben eines Kältemittels aus einem Lösungsmittel der Absorptionskältemaschine, zugeführt wird .
Vorteilhaft hieran ist, dass die Absorptionskältemaschine neben der Abwärme des Stirlingmotors keine weitere Wärme benötigt bzw. verbraucht. Es muss keine eigens hierfür erzeugte Wärme der Absorptionskältemaschine zugeführt werden. Hierdurch werden weniger Ressourcen verbraucht und die Umwelt wird geschont. Die Abwärme des Stirlingmotors, die die einzige benötigte Ressource ist, ist ein sogenanntes Abfallprodukt bei einem Stirlingmotor. Durch die relative hohe Temperatur der
Abwärme eines Stirlingmotors kann die Absorptionskältemaschine mit hoher Effizienz betrieben werden. Die Kosten für den Betrieb einer Absorptionskältemaschine werden deutlich gesenkt.
Der Stirlingmotor kann, beispielsweise im Gegensatz zu Dampf - Kraftwerksprozessen, die auf eine extreme Rückkühlung, optimal < 30°C, angewiesen sind, mit deutlich höheren Rückkühltemperaturen berieben werden. Bereits bei Temperaturen der Abwärme von ca. 80 °C lässt sich mittels der Absorptionskältemaschine Kaltwasser von ca. 6 ° C - ca. 20°C herstellen. Das reicht für alle Gebäude- und auch für viele verschiedene Prozesskühlzwecke.
Der Stirlingmotor kann einen elektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreiben. Vorteilhaft hieran ist, dass nicht nur weniger Ressourcen für den Betrieb der Absorptionskältemaschine benötigt werden, sondern durch das Verfahren auch zusätzlich Ressourcen, in Form von elektrischem Strom, erzeugt werden. Zudem können mit dem erzeugten elektrischen Strom weitere Vorrichtungen mit Energie versorgt werden, ohne dass ein Stromnetz vorhanden sein muss.
In einer Ausführungsform wird der mittels des Stirlingmotors erzeugte Strom
zumindest teilweise der Absorptionskältemaschine bereitgestellt. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Absorptionskältemaschine neben der Abwärme des Stirlingmotors keine weiteren Ressourcen zum Betrieb benötigt. Hierdurch wird die Umwelt geschont und Kosten eingespart. Solange der Stirlingmotor läuft, kann die Absorptionskältemaschine mittels dieses Verfahrens autark, insbesondere ohne Anschluss an das Stromnetz betrieben werden. Dies ist insbesondere in Entwicklungsländern und entlegenen Gebieten ohne ein (stabiles) Stromnetz von großem Vorteil. Zudem kann die
Absorptionskältemaschine durch dieses Verfahren auch weiter betrieben werden, falls es einen Stromausfall des Stromnetzes, an den die Absorptionskältemaschine angeschlossen ist, geben sollte. Die Absorptionskältemaschine braucht nur einen Stirlingmotor (mit einem elektrischen Stromgenerator) zum Betrieb, und dieser braucht wiederum nur einen Wärmegradienten zum Betrieb.
Dem Stirlingmotor kann durch Verbrennung von Gas und/oder Flüssiggas,
insbesondere LPG, Wärme zugeführt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass die für den Betrieb des Stirlingmotors erforderlichen fossilen Brennstoffe kostengünstig, leicht transportabel und einfach lagerbar sind. Hierdurch sinken die Betriebskosten des Verfahrens.
In einer weiteren Ausführungsform wird dem Stirlingmotor durch einen oder mehrere das Sonnenlicht bündelnde Solarkollektoren, insbesondere Parabolspiegel,
Fresnelspiegel und/oder Parabolrinnen, Wärme zugeführt. Vorteilhaft hieran ist, dass dem Stirlingmotor kostengünstig Wärme zugeführt wird. Zudem kann gerade dann dem Stirlingmotor viel Wärme und damit der Absorptionskältemaschine eine große Abwärme des Stirlingmotors zugeführt werden, wenn die Sonneneinstrahlung besonders groß ist. Genau zu den Zeiten großer Sonneneinstrahlung wird die größte Kühlleistung der Absorptionskältemaschine benötigt.
In einer weiteren Ausführungsform wird das von den Solarkollektoren gebündelte Sonnenlicht zu dem Stirlingmotor geleitet, wobei der Stirlingmotor stationär angeordnet ist. Vorteilhaft hieran ist, dass auf einfache Weise die Abwärme über fest installierte, starre Rohrleitungen von dem Stirlingmotor zu der
Absorptionskältemaschine geführt werden kann. Zudem ist durch die stationäre Position des Stirlingmotors die Wartung einfacher.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Teil, insbesondere mehr als die Hälfte, des mittels des Stirlingmotors erzeugten Stroms in das Stromnetz eingespeist.
Vorteilhaft hieran ist, dass die Kosten weiter gesenkt werden, da der Betreiber des Stromnetzes bzw. der Staat eine Vergütung für die Einspeisung des Stroms bezahlt. Bei der Erzeugung von Strom, Kälte und Wärme aus einem Stirlingprozess werden ca. 20% des erzeugten Stroms zum Antrieb des Absorptionskälteprozess benötigt. 80% können anderweitig verbraucht oder ins Netz eingespeist werden.
Die Abwärme der Absorptionskältemaschine kann einem Pufferspeicher zugeführt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass die Abwärme der Absorptionskältemaschine zur späteren Verwendung zwischengespeichert wird.
Die Absorptionskältemaschine kann als Wärmepumpe eingesetzt werden. Hierdurch kann kostengünstig und energiesparsam Wärme erzeugt, wenn keine Kälte der Absorptionskältemaschine benötigt wird, z. B. wenn im Winter anstatt Kälte Wärme zum Heizen benötigt wird. Abwärme der Absorptionskältemaschine kann einer Hochtemperatur-Wärmepumpe zugeführt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass die nach der Absorptionskältemaschine noch vorhandene Wärme weiter verwendet wird anstatt sie an die Umwelt abzugeben. Hierdurch wird die Energieeffizienz des Verfahrens erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform wird von der Absorptionskältemaschine erzeugte Kälte einem Wärmetauscher zum Kühlen von zugeführter feuchter Außenluft zugeführt. Vorteilhaft hieran ist, dass ressourcenschonend Räume klimatisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Außenluft auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur von Wasser gekühlt zum Ausfällen von Wasser, insbesondere von Trinkwasser, aus der zugeführten feuchten Außenluft. Vorteilhaft hieran ist, dass die Luft entfeuchtet sowie gekühlt wird, die somit zur Klimatisierung von Räumen verwendet werden kann, und zugleich (Trink-)Wasser produziert wird. In vielen Gegenden, in denen eine hohe Sonneneinstrahlung vorhanden ist, herrscht (Trink-) Wassermangel.
Von der Absorptionskältemaschine erzeugte Kälte kann einer
Kompressionskältemaschine zur Rückkühlung eines Arbeitsfluids der
Kompressionskältemaschine zugeführt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass durch die Rückkühlung der Kompressionskältemaschine deren Wirkungsgrad erheblich gesteigert wird.
Ein Fluid des Stirlingmotors kann mittels einer Kältemaschine, insbesondere mittels einer Kompressions-Kältemaschine, abgekühlt und/oder mittels einer Wärmepumpe, insbesondere mittels einer Kompressions-Wärmepumpe, erwärmt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Absorptionskältemaschine durch weitere Maschinen angetrieben werden kann, sollte momentan kein Temperaturgefälle für den Betrieb der
Absorptionskältemaschine vorhanden sein. Beispielsweise steht bei einem
solarbetriebenen Stirlingmotor nachts oder bei (starker) Bewölkung keine Wärme und somit kein Temperaturgefälle für die Absorptionskältemaschine zur Verfügung.
In einer weiteren Ausführungsform wird Abwärme der Hochtemperatur-Wärmepumpe der Absorptionskältemaschine zugeführt. Auf diese Weise kann die gesamte
Antriebsenergie der Absorptionskältemaschine erzeugt und ca. 50% der sonst erreichbaren Heizenergie bis 100°C erzeugt werden. Diese Kombination ist
energetisch effizienter als eine getrennte Erzeugung von Kälte und Wärme über Kompressions-Kältemaschinen und Gaskessel .
Abwärme des Stirlingmotors kann in einem Speicher, insbesondere einem
Wasserspeicher, Latentwärmespeicher, chemischen Speicher, Thermoölspeicher, Schichtspeicher und/oder Pufferspeicher, gespeichert werden. Vorteilhaft hieran ist, dass der Absorptionskältemaschine auch dann Wärme zugeführt werden kann, wenn momentan keine Abwärme des Stirlingmotors zur Verfügung steht.
Von der Absorptionskältemaschine erzeugte Kälte kann in einem Speicher,
insbesondere einem Eisspeicher und/oder einem Latentwärmespeicher, gespeichert werden. Hierdurch kann auch dann von der Absorptionskältemaschine produzierte Kälte zur Verfügung gestellt werden, wenn die Absorptionskältemaschine momentan nicht betrieben wird. Auch kann überschüssige Kälte für die spätere Verwendung gespeichert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird zumindest ein Teil der Wärme von dem Speicher einer Wärmepumpe zugeführt. Vorteilhaft hieran ist, dass auch wenn momentan keine Abwärme des Stirlingmotors bereitgestellt wird, Wärme zur
Beheizung von Gebäuderäumen in ausreichendem Maße bereitgestellt werden kann.
Die Abwärme einer Kompressionskältemaschine kann einer Wärmepumpe zugeführt werden. Auf diese Weise wird auch im Winterbetrieb, wenn keine (ausreichende) Wärme von dem Stirlingmotor und/oder dem Wärmespeicher bereitgestellt wird, sicher gestellt, dass Wärme zur Beheizung von Gebäuderäumen in ausreichendem Maße bereitgestellt werden kann. Zudem kann die Anlage hierdurch immer mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird Abwärme des Stirlingmotors einer
Meerwasserentsalzungsvorrichtung zum Verdampfen von Meerwasser zugeführt. Vorteilhaft hieran ist, dass die Abwärme des Stirlingmotors auch dann sinnvoll eingesetzt werden kann, wenn am Standort des Stirlingmotors momentan bzw.
generell weder Wärme noch Kälte der Absorptionskältemaschine benötigt wird. Dabei wird Meerwasser verdampft und der Dampf durch Kondensation in Trinkwasser umgewandelt. Die im Dampf enthaltene Energie kann wieder zur Vorwärmung des nachströmenden Meerwassers verwendet werden. Vorteilhaft hieran ist auch, dass gerade in vielen Gegenden, in denen eine hohe Sonneneinstrahlung und Meerwasser vorhanden ist, Trinkwassermangel herrscht.
Die Aufgabe wird auch durch System zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte umfassend einen Stirlingmotor und eine Absorptionskältemaschine gelöst, wobei Abwärme des Stirlingmotors der Absorptionskältemaschine, insbesondere einem Austreiber der Absorptionskältemaschine zum Austreiben eines Kältemittels aus einem Lösungsmittel der Absorptionskältemaschine, zuführbar ist.
Vorteilhaft hieran ist, dass das System neben der Abwärme des Stirlingmotors keine weitere Wärme benötigt bzw. verbraucht. Es muss keine eigens hierfür erzeugte Wärme der Absorptionskältemaschine zugeführt werden. Hierdurch werden weniger Ressourcen verbraucht und die Umwelt wird geschont. Die Abwärme des
Stirlingmotors, die die einzige benötigte Ressource ist, ist ein sogenanntes
Abfallprodukt bei einem Stirlingmotor. Durch die relative hohe Temperatur der Abwärme eines Stirlingmotors kann die Absorptionskältemaschine mit hoher Effizienz betrieben werden. Die Betriebkosten eines solchen Systems sind sehr gering.
In einer Ausführungsform umfasst das System ferner einen elektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom, der von dem Stirlingmotor angetrieben wird.
Vorteilhaft hieran ist, dass der Ressourcenverbrauch für den Betrieb des Systems geringer ist, sondern durch das System auch zusätzlich Ressourcen, in Form von elektrischem Strom, bereitgestellt werden. Zudem können mit dem erzeugten elektrischen Strom weitere Vorrichtungen mit Energie versorgt werden, ohne dass ein Stromnetz vorhanden sein muss.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System ferner das Sonnenlicht bündelnde Solarkollektoren, insbesondere Parabolspiegel, Fresnelspiegel und/oder Parabolrinnen, zur Zuführung von Wärme zu dem Stirling-Motor. Vorteilhaft hieran ist, dass dem Stirlingmotor kostengünstig Wärme zugeführt werden kann. Zudem kann gerade dann dem Stirlingmotor viel Wärme und damit der Absorptionskältemaschine eine große Abwärme des Stirlingmotors zugeführt werden, wenn die
Sonneneinstrahlung besonders groß ist. Genau zu den Zeiten großer
Sonneneinstrahlung wird die größte Kühlleistung der Absorptionskältemaschine benötigt.
Der erzeugte Strom kann der Absorptionskältemaschine zuführbar sein. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei einem solchen System die Absorptionskältemaschine neben der Abwärme des Stirlingmotors keine weiteren Ressourcen zum Betrieb benötigt.
Hierdurch wird die Umwelt geschont und Kosten eingespart. Solange der Stirlingmotor läuft, kann die Absorptionskältemaschine in diesem System autark, insbesondere ohne Anschluss an das Stromnetz betrieben werden. Dies ist insbesondere in
Entwicklungsländern und entlegenen Gebieten ohne ein (stabiles) Stromnetz von großem Vorteil. Zudem kann die Absorptionskältemaschine in diesem System auch weiter betrieben werden, falls es einen Stromausfall des Stromnetzes, an den die Absorptionskältemaschine angeschlossen ist, geben sollte. Die
Absorptionskältemaschine braucht nur einen Stirlingmotor (mit einem elektrischen Stromgenerator) zum Betrieb, und dieser braucht wiederum nur einen
Wärmegradienten zum Betrieb.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Abwärme des Stirlingmotors einer
Meerwasserentsalzungsvorrichtung zuführbar. Vorteilhaft hieran ist, dass die
Abwärme des Stirlingmotors auch dann sinnvoll eingesetzt werden kann, wenn am Standort des Stirlingmotors momentan bzw. generell weder Wärme noch Kälte der Absorptionskältemaschine benötigt wird. Dabei wird Meerwasser verdampft und der Dampf durch Kondensation in Trinkwasser umgewandelt. Die im Dampf enthaltene Energie kann wieder zur Vorwärmung des nachströmenden Meerwassers verwendet werden. Vorteilhaft hieran ist auch, dass gerade in vielen Gegenden, in denen eine hohe Sonneneinstrahlung und Meerwasser vorhanden ist, Trinkwassermangel herrscht.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Betriebs der
Absorptionskältemaschine im Sommer;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Strom- und Wärmeerzeugung im
Winter;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Betriebs der
Absorptionskältemaschine und der Nutzung der Abwärme der Absorptionskältemaschine im Sommer; Fig. 4 eine schematische Darstellung des Betriebs der
Absorptionskältemaschine und der Nutzung der Abwärme in einer Hochtemperaratur-Wärmepumpe;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Betriebs der
Absorptionskältemaschine und der Erzeugung von Trinkwasser im
Sommer;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Nutzung der Abwärme des
Stirlingmotors in einer Meerwasserentsalzungsvorrichtung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Betriebs der
Absorptionskältemaschine zur Kühlung eines Gebäuderaums im Sommer;
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Nutzung der Abwärme des
Stirlingmotors zur Heizung eines Gebäuderaums im Winter;
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Wärme- und Kälteerzeugung nachts und bei Bewölkung, sowie
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines stationären Stirlingmotors mit
Generator mit einem Backupbrenner.
Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Betriebs der Absorptionskältemaschine 30 im Sommer. Von der Sonne 26 ausgehendes Sonnenlicht 27 wird von einem
Parabolspiegel 28 gebündelt auf einen Stirlingmotor 10 gespiegelt. Der Stirlingmotor 10 treibt einen elektrischen Generator (nicht gezeigt) an. Der Parabolspiegel 28 wird zweiachsig entsprechend dem Sonnenstand nachgeführt.
Das gebündelte Sonnenlicht 27 führt dem Stirlingmotor 10 Wärme zu. Der
Stirlingmotor 10 wandelt die Temperaturdifferenz zwischen dem Teil des
Stirlingmotors 10, der von dem gebündelten Sonnenlicht erwärmt wird, und der Umwelt in mechanische Arbeit um. Der Stirlingmotor 10 kann ein Alpha Stirling oder ein Beta Stirling sein. Der Generator in dem Stirlingmotor 10 wandelt die mechanische Arbeit in elektrische Energie um. Ca. 25% der normalen direkten Sonneneinstrahlung (DNI) wird hierbei in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie, die durch einen Pfeil 15 angedeutet ist, kann in das Stromnetz gespeist oder für die Absorptionskältemaschine 30 oder andere Vorrichtungen verwendet werden.
Ca. 60% aus der direkten normalen Sonneneinstrahlung (DNI) gelangt als Abwärme des Stirlingprozesses (durch einen Pfeil 14 angedeutet) in Form von Warmwasser zu einem Pufferspeicher 80. Anstelle eines Pufferspeichers ist auch ein Wasserspeicher, Latentwärmespeicher, chemischer Speicher, Thermoölspeicher oder ein
Schichtspeicher vorstellbar. Andere Arten der Wärmeübertragung sind ebenfalls vorstellbar.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird Wärme mit einer Leistung von ca. 140 kW von dem Pufferspeicher 80 zu einer Absorptionskältemaschine 30 geführt. Die
Absorptionskältemaschine 30 nimmt 140 kW aus der Abwärme des Stirlingmotors 10 bzw. des Pufferspeichers 80 auf.
Die Wärme wird in der Absorptionskältemaschine 30 dazu verwendet, das Kältemittel aus dem Lösungsmittel in dem Austreiber bzw. Generator auszukochen.
Die Absorptionskältemaschine 30 gibt Klimakälte mit einer Temperatur von ca. 6 °C bis ca. 20 °C ab und nimmt hierbei 100 kW an Wärme auf bzw. gibt ca. 100 kW an Klimakälte ab (durch einen Pfeil 16 angedeutet). Die Leistung der
Absorptionskältemaschine 30 beträgt in Fig. 1 beispielhaft 100 kW.
Vorstellbar ist, dass die Absorptionskältemaschine 30 mehrstufig, insbesondere zwei- oder dreistufig, ist.
Die Klimakälte wird durch ein klimafreundliches Kältemittel abgegeben, das vorzugsweise eine ozone depletion potential (ODP) von Null und ein global warming Potential (GWP) von Null bzw. 3 hat. Die Absorptionskältemaschine 30 hat eine Leistungszahl (COP) von ca. 12. Die Absorptionskältemaschine 30 gibt 240 kW an Wärme (durch einen Pfeil 17 angedeutet) an einen Rückkühler 85 mit einem
Ventilator 86 ab, der die Wärme an die Umluft abgibt. Die hier gezeigte Ausführungsform sieht die Kombination der Solar Cooling
Technologie mit über Parabolspiegel betriebenen Stirling-Maschinen zur Strom- und Nutzwärme- und Kälteerzeugung vor. Durch die Fokussierung der Solarstrahlung auf einen Punkt können für den Stirlingprozess erforderliche hohe Temperaturen mit gutem Wirkungsgrad erzeugt werden. Gängige Systeme erreichen im Brennpunkt ca. 650°C, damit können für die Stromerzeugung Stirling-Wirkungsgrade von ca. 25% und mehr, bezogen auf die solare Direktstrahlung, erreicht werden. Dabei fällt auf der kalten Seite Abwärme im Bereich von ca. 80°C, geeignet zur Beheizung von
Gebäuden, aber auch zum Antrieb der Absorptionskältemaschine 30 an. Es kann hier, bezogen auf die solare Direktstrahlung mit einer Ausbeute an Wärme von ca. 60% gerechnet werden. Das bedeutet, dass bezogen auf die solare Direktstrahlung, Wirkungsgrade von ca. 85% erreicht werden können, beinahe 1/3 davon als hochwertige elektrische Energie. Eine solche Energieausbeute übertrifft die heute bekannten Systeme bei weitem.
Ein solches System kann als tatsächlich klimaneutrales System angesehen werden. Für den kompletten Wärme- und Kälteprozess wird weniger als 20% des solar erzeugten Stromes benötigt. Das heißt eine Solar Cooling Anlage nach diesem Prinzip kann während des Kühlvorganges 4-mal mehr Strom produzieren als für den
Kälteprozess erforderlich ist. In den heißen Regionen der Erde ist gerade dann, wenn die höchste solare Einstrahlung und damit der höchste Kühlungsbedarf gegeben ist, auch die höchste Belastung der Stromnetze gegeben, mit den bekannten Folgen von black outs und brown outs in den überlasteten Netzen. Eine SolarCooling Anlage nach dem Parabolspiegel-Stirlinggenerator-Prinzip entlastet die öffentlichen Stromnetze in doppelter Weise: 1. Für Kühlzwecke wird keine Energie mehr dem Netz entnommen; 2. Es wird, gerade zu Spitzenlastzeiten, ca. 4-mal mehr Energie ins Netz eingespeist als für den Absorptions-Kühlzweck benötigt wird.
Eine solche Anlage hat sich in der Regel in kürzester Zeit amortisiert, weil
Energiekosten für Kühlung und Heizung eingespart werden können und fast weltweit, hohe Einspeisevergütungen für solar erzeugten Strom gezahlt werden.
Strom, Wärme und Kälte werden mit einem solchen System völlig C02 frei produziert. Ein Inselbetrieb in netzfernen Regionen über Energiespeicherung (Batterien oder Chemisch) ist möglich. Im Gegensatz zu Dampf - Kraftwerksprozessen die auf eine extreme Rückkühlung, optimal < 30 °C, angewiesen sind, kann der Stirling Prozess mit deutlich höheren Rückkühltemperaturen berieben werden. Das eröffnet die Möglichkeit einer
Abwärmenutzung. Bereits bei ca. 80°C Abwärme lassen sich die meisten Gebäude- und viele Prozessheizlasten decken. Für Kühlung kann ebenfalls mit einem
Temperaturniveau von 80 °C Kaltwasser von ca. 6 °C - 20 °C hergestellt werden. Das reicht für alle Gebäude- und auch für viele verschiedene Prozesskühlzwecke.
Bei der Erzeugung von Strom, Kälte und Wärme aus einem über zentrierende
Solarkollektoren (Parabolspiegel, Fressneilspiegel oder Parabolrinne) angetriebenen Stirlingprozess werden ca . 20% des erzeugten Stroms zum Antrieb des
Absorptionskälteprozess benötigt. 80% können anderweitig verbraucht oder ins Netz eingespeist werden. Aus der Abwärme des Stirlingprozesse wird Antriebsenergie, Wärme, für den Absorptionskälteprozess gewonnen. Die Abwärme des
Absorptionsprozesses wird über einen Rückkühler 85 abgeführt. Pro 1 m2 installierter Kollektorfläche lassen sich ca. 250 Wp (Watt peak) Strom und ca. 400 Wp Kälte generieren.
Um eine vergleichbare Energiemenge aus einem kombinierten System, Photovoltaik- Kollektoren und solarthermische Kollektoren, zu erzielen würden 2 qm Fotovoltaik und 1 m2 Thermiekollektor benötigt. Das entspricht in etwa dem 3-fachen Platzbedarf und den doppelten Kosten des gezeigten Systems.
Ausgelegt nach der Kälteleistung werden pro 1 kW erzeugter Kälteleistung zwischen 2,5 m2 und 5 m2 Kollektorfläche benötigt. Eine genaue Auslegung erfolgt anhand der gegebenen Rahmenbedingungen und der gewünschten solaren Deckung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Strom- und Wärmeerzeugung im Winter. Im Winter ist üblicher Weise keine Kälteproduktion vonnöten. Daher wird die Wärme aus dem Pufferspeicher 80 (durch einen Pfeil 18 angedeutet) direkt in das zu heizende Gebäude 90 geleitet. Daher wird auch der Rückkühler 85 nicht benötigt. Die dem Gebäude 90 zugeführte Wärme hat eine Temperatur von ca . 40 °C bis ca . 95 °C. Vorstellbar ist auch, dass die Wärme anstatt einem Gebäude 90 einem Prozess zugeführt wird.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Betriebs der Absorptionskältemaschine 30 und der Nutzung der Abwärme der Absorptionskältemaschine 30 im Sommer. Der in Fig . 3 dargestellte Prozess ist recht ähnlich zu dem in Fig. 1 dargestellten Prozess. Die Abwärme der Absorptionskältemaschine 30, die durch einen Pfeil 17 angedeutet ist, wird in Fig. 3 jedoch nicht einem Rückkühler 85 zugeführt, sondern die Abwärme wird z. B. für Wärmebäder, Beheizung von Swimmingpools, Vorheizung von
Warmwasser, Flächenheizung etc. verwendet. Die Abwärme der
Absorptionskältemaschine 30 hat eine Temperatur von bis zu ca. 40°C.
Im Gegensatz zum Prozess der Fig . 1 wird hier auf den Rückkühler 85 verzichtet und an dessen Stelle ein oder mehrere Pufferspeicher mit Wärmetauschern (nicht gezeigt) zur Niedertemperatur Energiegewinnung aus der Abwärme installiert. Pro erzeugte kWh Kälteenergie werden ca. 2,4 kWh Abwärme erzeugt. Insgesamt können so aus zur 1 m2 Kollektorfläche 250 Wp (Watt Peak) Strom, 400 Wp Kälte und 940 Wp Niedertemperatur Wärme erzeugt werden. Eine solche Kombination eignet sich immer dann, wenn Niedertemperatur Abwärme sinnvoll genutzt werden kann, z. B.
Vorwärmung des nachströmenden Kaltwassers in eine Warmwasserbereitung,
Flächenheizsysteme, Wärmebäder oder Schwimmbadbeheizung.
Wird nicht ausreichend Niedertemperatur Abwärme benötigt, kann die
Abwärmenutzung um einen Rückkühler 85 erweitert werden damit die Rückkühlung des Absorptionsprozesses immer sichergestellt ist. Anwendungen bei denen die gesamte erzeugbare Kälte und auch Abwärme genutzt werden kann sind extrem wirtschaftlich und rechnen sich, bei derzeitigen Energiekosten und
Einspeisevergütungen in der Regel bereits in weniger als 5 Jahren.
Die von der Absorptionskältemaschine 30 produzierte Kälte kann alternativ zur Verwendung zur Klimatisierung, beispielsweise im Winter, an die Luft bzw. Umwelt abgeführt werden (Wärmepumpenprinzip).
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Betriebs der Absorptionskältemaschine 30 und der Nutzung der Abwärme in einer Hochtemperaturwärmepumpe 70. Die Hochtemperaturwärmepumpe 70 verwendet z. B. H20, N H3, C02, C3H8 oder ein anderes klimafreundliches Kältemittel, das ein ozone depletion potential (ODP) von Null und ein global warming potential (GWP) von Null bzw. 3 hat. Die Hochtemperatur- Wärmepumpe 70 hat eine Leistungszahl (COP) von ca. 4. Die Hochtemperatur- Wärmepumpe 70 erzeugt Nutzwärme (durch einen Pfeil 19 angedeutet) bis zu über ca. 100°C, die z. B. für Prozesswärme, eine Gebäudeheizung oder zur
Warmwasserbereitung verwendet werden kann. Durch die Hochtemperaturwärmepumpe 70 kann Hochtemperatur-Wärme bis zu mehr als ca. 100 °C, zu sehr guten Wirkungsgraden, erzeugt werden. Pro erzeugte kWh Kälteenergie werden ca . 2,4 kWh Abwärme erzeugt. So können beispielsweise in Kombination mit einer N H3-Wärmepumpe insgesamt aus nur 1 m2 Kollektorfläche 250 Wp Strom, 400 Wp Kälte und 1150 Wp Heißwasser, z. B. 80°C erzeugt werden. Eine solche Kombination eignet sich immer dann, wenn Warmwasser bis ca. 100°C sinnvoll genutzt werden kann, z. B. Warmwasserbereitung, Heizkörperheizsysteme,
Wärmebäder.
Wird nicht ausreichend Warmwasser benötigt, kann das in Fig . 4 gezeigte System um einen Rückkühler 85 erweitert werden damit die Rückkühlung des
Absorptionsprozesses immer sichergestellt ist. Auch bei Nutzung der Hochtemperatur- Wärmepumpe 70 wird über den Stirling Prozess ausreichend Strom erzeugt um die gesamte Energie, Wärme und Kälte ohne zusätzlichen Strombedarf aus dem Netz erzeugen zu können. Es wird also die gesamte Energie 100% C02 neutral erzeugt. Auch hier ist ein Inselbetrieb über Stromspeicherung denkbar. Anwendungen bei denen die gesamte erzeugbare Kälte und auch zusätzlich erzeugtes Warmwasser, genutzt werden kann sind extrem wirtschaftlich und rechnen sich, bei derzeitigen Energiekosten und Einspeisevergütungen, in der Regel bereits in weniger als 8 Jahren.
Alternativ, kann die Kälte der Absorptionskältemaschine 30 im Winter an die Umwelt abgegeben oder dazu verwendet werden, einen Raum zu kühlen, der auch im Winter gekühlt werden muss. Dies kann z. B. ein Serverraum sein.
Wird im Winter keine Kälte für z. B. Serverräume oder ähnliches benötigt, bestehet aber Niedertemperatur Wärmebedarf kann die Absorptions-Kältemaschine 30 auch als Wärmepumpe eingesetzt werden. Im Falle von LiBr Absorptions-Kältemaschinen kann bis zu Außentemperaturen von ca. 10 °C aus der Außenluft oder anderen
Wärmequellen z. B: Erdwärme, Grundwasser, etc. als Wärmequelle zusammen mit der Antriebstemperatur aus der Stirlingmaschine Warmwasser bis ca. 40 °C gewonnen werden. Bei Verwendung von N H3-Absorptionsmaschinen kann auch bei negativen Außentemperaturen der Wärmepumpenbetrieb weiter erfolgen, die möglichen
Wärmequellen vervielfachen sich damit. Pro eingesetzter kWh Hochtemperatur Wärme T > 70°C können ca. 1,5 kWh - 1,7 kWh Niedertemperatur Wärme generiert werden. Es kann also mehr Niedertemperatur Wärme erzeugt werden als an solarer Energie tatsächlich auf den Spiegel einstrahlt. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des Betriebs der Absorptionskältemaschine 30 und der Erzeugung von Trinkwasser im Sommer. Die von der
Absorptionskältemaschine 30 erzeugte Kälte wird in Form von Kaltwasser mit einer Temperatur von 6 °C bzw. 12 °C einem Wärmetauscher 75 zugeführt. Dem
Wärmetauscher 75 wird zudem Außenluft (durch einen Pfeil 20 angedeutet) mit einem hohen Feuchteinhalt zugeführt. Der Feuchteinhalt beträgt z. B. bei 30 °C, 16 g/kg . Die Außenluft wird in dem Wärmetauscher 75 auf eine Temperatur unterhalb der
Taupunkttemperatur von Wasser gekühlt. Hierdurch fällt Wasser aus der Luft aus. Bei entsprechender Qualität der Luft kann dieses Wasser als Trinkwasser verwendet werden. Darüber hinaus kann die gekühlte Luft als klimatisierte Zuluft (durch einen Pfeil 21 angedeutet) mit geringerem Feuchteinhalt verwendet werden. Der
Feuchteinhalt nach dem Wärmetauscher 75 beträgt z. B. bei 16 °C 10 g/kg . Die Abwärme der Absorptionskältemaschine 30, die eine Temperatur von bis zu ca. 40 °C hat, kann in Fig . 5 beispielsweise einem Rückkühler 85, einer Hochtemperatur- Wärmepumpe 70 zugeführt werden oder die Abwärme kann direkt zur Beheizung verwendet werden. Andere Arten der Verwendung der Abwärme der
Absorptionskältemaschine 30 sind vorstellbar.
In jeder der gezeigten Ausführungsformen lässt sich die Gewinnung von sauberem trinkbarem Wasser mit der Energieerzeugung verbinden. Besonders im asiatischen Raum und in der Region um die Arabische Halbinsel sind die klimatischen Verhältnisse extrem gut geeignet um über die gezeigte Solar-Stirling-Absorptions-Kälteanlage sowohl Strom, Kälte, Wärme als auch Trinkwasser zu erzeugen.
Die Abwärme kann wie bei den anderen gezeigten Ausführungsformen genutzt werden. Durch die Vierfachnutzung des Systems, Strom, Klimatisierung, Trinkwasser und Heizenergie ist ein solches System extrem wirtschaftlich und amortisiert sich in deutlich weniger als 5 Jahren. Wenn keine Kälte aber dafür Wärme benötigt wird ist das System trotzdem sehr wirtschaftlich, dann wird rein Außenluft gekühlt, als Quelle für die Wärmepumpenfunktion. Werden weder Kälte noch Wärme benötigt ist es wirtschaftlicher, bei vorhandenem Zugang zum Meer, Trinkwasser durch Verdampfung direkt aus der Abwärme des Stirling Prozesses zu erzeugen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzung der Abwärme des
Stirlingmotors 10 in einer Meerwasserentsalzungsvorrichtung 100. Die Abwärme des Stirlingmotors 10 wird in Fig . 6 anstatt einer Absorptionskältemaschine 30 einer Meerwasserentsalzungsvorrichtung 100 zugeführt. Die Meerwasserentsalzungsvorrichtung 100 umfasst eine erste Zuleitung 102, durch die rohes Meerwasser zugeführt wird. Das rohe Meerwasser wird einem Wärmetauscher 103 der
Meerwasserentsalzungsvorrichtung 100 zugeführt, in dem das Wasser durch den in der Meerwasserentsalzungsvorrichtung 100 erzeugten Dampf vorgewärmt wird . Von hier gelangt es durch eine zweite Rohrleitung 104 zu dem Verdampfer 105 der Meerwasserentsalzungsvorrichtung 100. Der Verdampfer 105 kann beispielsweise aus einem Rohrbündel bestehen. Dem Verdampfer 105 wird die Abwärme des
Stirlingmotors 10 zugeführt. Von dem Verdampfer 105 wird der Dampf durch eine dritte Rohrleitung 106 zu dem Wärmetauscher 103 geführt, in dem der Dampf Wärme an das rohe Meerwasser abgibt und hierbei abkühlt und kondensiert. Hierdurch wird (ein Teil der) Wärme aus dem Dampf rückgewonnen. Das Kondensat wird durch eine vierte Rohrleitung 108 geführt, an dessen Ende (Trink-)Wasser 115 entnommen werden kann.
Das (Trink-)Wasser kann direkt entnommen und genutzt werden oder kann in ein Leitungssystem gespeist werden.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des Betriebs der Absorptionskältemaschine 30 zur Kühlung eines Gebäuderaums im Sommer. Der Stirlingmotor 10 bzw. der Stirlingmotor mit Generator hat insgesamt eine Leistung von 50 kW elektrisch.
In Fig . 7 werden ca. 40 Megawattstunden pro Jahr Strom von dem Generator des Stirlingmotors 10 erzeugt. Ca. 130 Megawattstunden pro Jahr an Abwärme des Stirlingmotors 10 werden zu dem Pufferspeicher 80 geleitet. Der Pufferspeicher 80 hat ein Volumen von ca. 22,5 m3. Größere oder kleiner Volumina sind vorstellbar. Da der Pufferspeicher 80 nicht verlustfrei die Wärme hält, werden nur 127 Megawattstunden pro Jahr zu der Absorptionskältemaschine 30 geführt. Von der
Absorptionskältemaschine 30 werden ca. 215 Megawattstunden pro Jahr an Abwärme erzeugt. Von der Backup-Kompressionskältemaschine/Wärmepumpe 130, die eine Leistungszahl (COP) von ca. 4,5 hat, werden ca. 20 Megawattstunden pro Jahr an Abwärme erzeugt (durch einen Pfeil 25 angedeutet). Diese beiden Beträge
zusammengenommen ergeben ca. 235 Megawattstunden pro Jahr an Abwärme, die an den Rückkühler 85 geführt wird.
Von der Backup-Kompressionskältemaschine/Wärmepumpe 130 werden 15,3
Megawattstunden pro Jahr an Kälte für die Klimatisierung bereitgestellt bzw. Wärme in entsprechender Höhe wird aufgenommen. Von der Absorptionskältemaschine 30 werden ca. 18,2 Megawattstunden pro Jahr für die Klimakälte bereitgestellt. Somit stehen 33,5 Megawattstunden pro Jahr an Klimakälte mit einer Temperatur von 7 bzw. 14°C bereit. Von der Kompressionskältemaschine 150, die eine Leistungszahl von ca. 6, 1 bzw. 5 hat, werden 210 Megawattstunden pro Jahr an Produktkälte (durch einen Pfeil 22 angedeutet) mit einer Temperatur von 3 °C bzw. 0 °C (Sole) produziert.
Die Kompressionskältemaschine 150 erzeugt 250 Megawattstunden pro Jahr an Wärme (durch einen Pfeil 23 angedeutet), wovon 185 Megawattstunden pro Jahr an den Rückkühler 85 geführt werden. Der andere Teil in Höhe von 65 Megawattstunden pro Jahr wird an die Absorptionskältemaschine 30 abgegeben.
Sowohl die Backup-Kompressionskältemaschine/Wärmepumpe 130 als auch die
Kompressions-Kältemaschine 150 oder nur eine der beiden kann einen
Scrollverdichter umfassen. Andere Arten von Verdichtern sind vorstellbar.
Durch das in Fig . 7 schematisch dargestellte Verfahren kann Strom und Kälte im Sommer erzeugt werden. Die Kälte kann beispielsweise für einen Supermarkt, für Räume der Lebensmittelindustrie, für Räume von Molkereien etc. verwendet werden. Beispielsweise wird ein solches Verfahren für einen Einkaufsmarkt mit einer Fläche von 1.500 m2 in der Region Bozen verwendet.
Durch das in Fig . 7 gezeigte Verfahren, das so genannte SolarCooling-Verfahren, beträgt der (externe) Energiebedarf (durch einen Pfeil 24 angedeutet) nur 13
Megawattstunden pro Jahr. Um mit einem konventionellen Verfahren, die gleiche Menge an Kälte zu erzeugen, werden ca . 85 Megawattstunden pro Jahr an (externer) Energie benötigt.
Die Kälteleistung des Absorbers der Absorptionskältemaschine 30 ist so auszulegen, dass bei Außentemperaturen über z. B. 20 °C die Rückkühlung der Kompressionskälte zusätzlich über SolarCooling erbracht werden kann. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Normalkälte der
Kompressionskältemaschine/Wärmepumpe 150.
Weil aber eine 100%ige Deckung über SolarCooling zu großen Solarfeldern und auch Speichern führen würde, muss bei mangelnder solarer Einstrahlung und trotzdem gegebener Kühllast für Raumklimatisierung (wenige Stunden im Jahr, bei moderaten Außentemperaturen) die Kompressionskältemaschine/Wärmepumpe 150 in der Lage sein, die dann benötigte Raumkühlung zusätzlich zu übernehmen. Die Rückkühlung der Kompressionskältemaschine 150 erfolgt dann über den Rückkühler 85 der
SolarCooling Anlage.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzung der Abwärme des
Stirlingmotors 10 zur Heizung eines Gebäuderaums 90 im Winter. Im Sommer wird die Kälte der Absorptionskältemaschine 30 benötigt. Im Winter produziert der
Stirlingmotor mit Generator 10 Megawattstunden pro Jahr an Strom. Er gibt dabei 18 Megawattstunden pro Jahr an Wärme an den Pufferspeicher 80 ab. Der Pufferspeicher 80, der geringe Verluste aufweist, gibt 16 Megawattstunden pro Jahr an Wärme ab. Ein kleiner Teil hiervon, 10 Megawattstunden pro Jahr, wird an die Wärmepumpe 130, die eine Leistungszahl von ca. 4 hat, abgegeben. Der größere Teil hiervon (ca. 16 Megawattstunden pro Jahr) wird direkt zur Beheizung eines Raums verwendet
(Raumlufttechnische Beheizung). Die von der Wärmepumpe 130 produzierte Wärme und die direkt vom Pufferspeicher 80 abgeführte Wärme wird zur Beheizung des Raums 90 verwendet. Die Temperatur des Fluids zur Beheizung beträgt hierbei 45 °C bzw. 30 °C und überträgt Energie in Höhe von ca. 74 Megawattstunden pro Jahr.
Eine Kompressionskältemaschine 150, die eine Leistungszahl von ca. 6,1 hat, gibt 109 Megawattstunden pro Jahr an Kälte als Produktkälte ab bzw. nimmt entsprechend viel Wärme auf. Die Produktkälte hat eine Temperatur von minus 3 °C bzw. 0 °C (Sole). Die von der Kompressionskältemaschine 150 erzeugte Wärme mit einem Betrag von von 127 Megawattstunden pro Jahr wird teilweise an den Rückkühler und teilweise an die Wärmepumpe 130 abgegeben. 79 Megawattstunden pro Jahr werden an den Rückkühler 85 abgeführt, während 48 Megawattstunden der Wärmepumpe 130 zugeführt werden.
Der Energiebedarf entsprechend dem in Fig. 8 gezeigten Verfahren, dem so
genannten SolarCooling-Verfahren, beträgt nur ca. 20 Megawattstunden pro Jahr. Um mit Hilfe eines konventionellen Verfahrens die gleich Menge an Kälte und Wärme zu erzeugen wird ein Energiebedarf von ca. 71 Megawattstunden pro Jahr benötigt.
Im Heizbetrieb wird ein Supermarkt bzw. eine Gebäuderaum 90 über die direkt anfallende und die gespeicherte Solarenergie beheizt. Ist keine solare Einstrahlung verfügbar und der direkt nutzbare Anteil der gespeicherten Wärme aufgebraucht übernimmt die Wärmepumpenfunktion der Wärmepumpe 130 die Beheizung des Marktes. Um auch hier einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, wird die
Restenergie aus dem Pufferspeicher 80 als Quelltemperatur der Wärmepumpe 130 zugeführt.
Ist auch hier der letzte nutzbare Anteil aufgebraucht, wird die Abwärme der
Normalkälte der Quellseite der Wärmepumpe 130 zugeführt. Auf diese Weise wird auch im Winterbetrieb sicher gestellt, dass die Anlage immer mit optimalem
Wirkungsgrad betrieben werden kann. Durch die Nutzung der solar erzeugten Energie und die betriebsgeführte Optimierung der Wirkungsgrade der einzelnen Systeme lässt sich eine äußerst Ressourcen schonende und umweltfreundliche Energieversorgung eines Supermarktes realisieren. Im Vergleich zu herkömmlicher Technik,
Kompressionskälte und Öl- oder Gaskessel werden Primärenergie Einsparungen von bis zu 80% und damit auch Reduzierungen des C02 Ausstoßes in der gleichen
Größenordnung realisiert.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung der Wärme- und Kälteerzeugung nachts. In der Nacht scheint keine Sonne, daher kann dem Stirlingmotor 10 auch keine Wärme durch Sonnenlicht zugeführt werden. Dementsprechend steht keine Abwärme des Stirlingmotors 10 der Absorptionskältemaschine 30 zur Verfügung. Eine
Hochtemperatur-Wärmepumpe produziert ca. 300 kW an Wärme. 160 kW hiervon werden als Nutzwärme mit einer Temperatur bis über ca. 100 °C z. B. für
Prozesswärme, zur Gebäudeheizung oder zur Warmwasserbereitung verwendet. 140 kW hiervon werden der Absorptionskältemaschine 30 zugeführt. Die
Hochtemperaturwärmepumpe 70 hat eine Leistungszahl von ca. 4. Die
Absorptionskältemaschine 30 hat eine Leistungszahl von ca . 12.
Die Absorptionskältemaschine 30 gibt Klimakälte in Höhe von 100 kW mit einer Temperatur von 6 °C bis 20 °C ab. Die Kälte kann beispielsweise an einen Raum abgegeben werden, der auch nachts gekühlt werden muss. Dies kann beispielsweise ein Serverraum sein. Die Absorptionskältemaschine 30 erzeugt Abwärme in Höhe von 240 kW, die der Hochtemperaturwärmepumpe 70 zugeführt wird. Bei dem in Fig . 9 gezeigten Prozess wird die Absorptionskältemaschine 30 als Wärmepumpe eingesetzt.
Um eine 100% sichere Versorgung mit Wärme und Kälte das ganze Jahr über, ohne Abhängigkeit von der solaren Einstrahlung, sicherstellen zu können, kann ein Backup vorgesehen sein. Das Backup kann auf der kalten Seite des Stirlingmotors 10 eine Kompressions-Kältemaschine oder auf der warmen Seite des Stirlingmotors 10 ein Heizkessel oder eine Kompressions-Wärmepumpe sein. Eine andere, auf Grund der hohen Energieausbeute des Gesamtsystems in allen Varianten, gute Möglichkeit ist eine Beheizung des Stirlingmotors 10 auf der Antriebsseite. Dies ist eine sehr effiziente Backup-Lösung . Besonders wenn die Abwärme genutzt werden kann, kann aus jeder kWh dem Brenner zugeführter Wärme bei ca. 650 °C, 0,25 kWh Strom, 0,4 kWh Kälte und 0,96 kWh Niedertemperatur Abwärme generiert werden. Eine solche Anlage entspräche der Kombination einer herkömmlichen Solar-Dish-Stirling Anlage mit einer BH KW-Stirling Anlage, bei der der Wärmeaufnehmer der BH KW-Stirling Anlage im Brennpunkt des Parabolspiegels 28 angeordnet ist. Da die Wärmezufuhr beim Stirlingmotor 10 im Gegensatz zu den sonst bekannten Verbrennungsmotoren von außen zugeführt wird, kann prinzipiell jeder denkbare Brennstoff eingesetzt werden.
Durch die Lage des Stirlingmotor im Brennpunkt eines zentrierenden Solarsystems ist jedoch die Versorgung des Motors mit Wärme aus flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffe am einfachsten möglich. Auch bei Verwendung von fossilen Brennstoffen ergibt sich auf Grund der hohen Energieausbeute nur ein minimaler C02 Ausstoß in Bezug auf die erzeugte Nutzenergie.
Eine weitere Backup-Variante besteht in der Möglichkeit die Hochtemperatur
Wärmepumpe 70 für den Antrieb der Absorptionskältemaschine 30 einzusetzen. Auf diese Weise kann die gesamte Antriebsenergie der Absorptionskältemaschine 30 erzeugt und ca . 50% der sonst erreichbaren Heizenergie bis 100°C erzeugt werden. Diese Kombination kann keinen Strom erzeugen, ist aber energetisch effizienter als eine getrennte Erzeugung von Kälte und Wärme über Kompressions-Kältemaschinen und Gaskessel .
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Stirlingmotors 10 mit Generator mit einem Backup-Brenner 170. Die Abwärme des Stirlingprozesses hat eine Temperatur von ca. 75 °C bis ca . 95 °C und entspricht ca . 60% der direkten normalen
Sonneneinstrahlung (DNI), bzw. generell der eingespeisten Wärme.
Die Abwärme wird einen Pufferspeicher 80, dem (Strom-)Netz oder Abnehmern zugeführt. Der Backup-Brenner 170 kann mit Gas, Öl oder nachwachsenden
Rohstoffen betrieben werden. Der Stirlingmotor 10 mit Generator ist in Fig. 10 nicht im Brennpunkt des Parabolspiegels 25 angeordnet. Im Brennpunkt des Parabolspiegels 25 ist ein weiterer Spiegel 180 angeordnet, der das gebündelte Sonnenlicht 27 auf einen Umlenkspiegel 185 führt. Der Umlenkspiegel 185 wiederum führt das gebündelte Sonnenlicht 27 zu dem Stirlingmotor 10 mit Generator, der stationär angeordnet ist. Der Parabolspiegel 28 wird der Sonne zweiachsig nachgeführt.
Um die Vorteile des Solar-getriebenen Stirling Generators mit denen eines
Gasbefeuerten BHWK zu verbinden ist es vorteilhaft den Stirlingmotor an einem Platz, z. B. unterhalb des Parabolspiegels fest zu montieren und die gebündelte
Solarstrahlung zu diesem fest definierten Punkt zu leiten. Vorteilhaft hieran ist, dass auf einfachste Weise die Abwärme über fest installierte, starre Rohrleitungen dem Stirlingmotor 10 abgenommen werden kann. Außerdem ist eine bivalente Versorgung mit brennbaren Treibstoffen für die Zeiten ohne oder mit nur geringer Solarstrahlung einfach möglich.
Zudem ist auch die Wartung des Motors einfacher möglich. Weiterhin ist denkbar bei geringer Solarstrahlung nur den erforderlichen Restenergiebedarf über einen zusätzlichen Brennstoff zuzuführen. Extrem vorteilhaft für die Wirtschaftlichkeit sind die dadurch zu realisierenden hohen Laufzeiten. Außerdem muss weder auf der kalten noch auf der warmen Seite ein zusätzliches kostenintensives Backup installiert werden. Beides trägt dazu bei, den spezifischen Gestehungspreis von Strom, Wärme und Kälte zu senken und die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage zu stärken.
Jede solare Energiegewinnung ist darauf angewiesen, aus den Stunden am Tag, an denen ausreichend solare Einstrahlung gegeben ist, dem Bedarf entsprechend möglichst viel Energie zu gewinnen. Um hier ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis erreichen zu können ist eine Energiespeicherung vorteilhaft. Im Falle eines
verfügbaren Netzanschlusses und ggf. hoher Einspeisevergütungen ist für die
Stromproduktion das Netz der Speicher. Für die Kälte und Wärme muss auf separate Speicher zurückgegriffen werden. Aus wirtschaftlicher Sicht kommen Kurzzeitspeicher in Betracht, die zur Überbrückung von Stunden oder wenigen Tagen geeignet sind. Die einfachste und zahlenmäßig am häufigsten angewandte Art der Speichertechnik ist die Speicherung von Wärme und Kälte in Wasserspeicher, Schichtspeichern oder Pufferspeicher. Je nach zeitlicher Verschiebung zwischen Energieeintrag und Energiebedarf können dabei aber sehr schnell sehr große Speichervolumen notwendig werden. Um die Speichervolumen und gegebenenfalls auch Verluste zu reduzieren, können
verschiedene innovative Speicherkonzepte eingesetzt werden. Derzeit stehen am Markt PCM und namentlich Eisspeicher zur Speicherung auf der kalten sowie PCM-, Thermoölspeicher und chemische Speicher zur Speicherung auf der heißen Seite zur Verfügung. Andere Arten von Wärme- und oder Kältespeichern sind vorstellbar.
Die verschiedenen gezeigten Ausführungsformen für den Betrieb im Sommer bzw. Winter schließen den Betrieb in anderen, insbesondere in jeweils entgegen gesetzten, Jahreszeiten nicht aus. D.h. eine gezeigte Betriebsform des Systems für den Winter ist (je nach klimatischen Bedingungen) auch im Sommer einsetzbar und umgekehrt. Gleiches gilt für den Frühling und den Herbst.
Bezugszeichenliste:
10 Stirlingmotor (mit Generator)
14 Pfeil (Abwärme Stirlingmotor)
15 Pfeil (Strom)
16 Pfeil (Klimakälte)
17 Pfeil (Abwärme der Absorptionskältemaschine)
18 Pfeil (Wärme aus Pufferspeicher)
19 Pfeil (Abwärme der Hochtemperatur-Wärmepumpe)
20 Pfeil (Außenluft)
21 Pfeil (klimatisierte Zuluft)
22 Pfeil (Produktkälte)
23 Pfeil (Abwärme Kompressionskältemaschine)
24 Pfeil (externer Energiebedarf)
25 Pfeil (Abwärme Backup-Kompressionskältemaschine/Wärmepumpe)
26 Sonne
27 Sonnenlicht
28 Parabolspiegel
30 Absorptionskältemaschine
35 Klimakälte
37 Umweltwärme
40 Abwärme
70 Hochtemperatur-Wärmepumpe Wärmetauscher
Pufferspeicher
Rückkühler
Ventilator
Gebäude
Meerwasserentsalzungsvorrichtung
erste Rohrleitung (rohes Meerwasser)
Wärmetauscher der Meerwasserentsalzungsvorrichtung zweite Rohrleitung (vorgeheiztes Meerwasser)
Verdampfer
dritte Rohrleitung (Dampf)
vierte Rohrleitung (Kondensat)
Trinkwasser
Backup-Kompressionskältemaschine/Wärmepumpe
Kompressions-Kältemaschine
Backup-Brenner
Spiegel im Brennpunkt des Parabolspiegels
Umlenkspiegel

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine (30) zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme,
wobei
Abwärme eines Stirlingmotors (10) der Absorptionskältemaschine (30), insbesondere einem Austreiber der Absorptionskältemaschine (30) zum
Austreiben eines Kältemittels aus einem Lösungsmittel der
Absorptionskältemaschine (30), zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
der Stirlingmotor (10) einen elektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreibt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, wobei
der mittels des Stirlingmotors (10) erzeugte Strom zumindest teilweise der Absorptionskältemaschine (30) bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
dem Stirlingmotor (10) durch Verbrennung von Gas und/oder Flüssiggas, insbesondere LPG, Wärme zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
dem Stirlingmotor (10) durch einen oder mehrere das Sonnenlicht bündelnde Solarkollektoren, insbesondere Parabolspiegel (28), Fresnelspiegel und/oder Parabolrinnen, Wärme zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei
von den Solarkollektoren gebündeltes Sonnenlicht zu dem Stirlingmotor (10) geleitet wird, und der Stirlingmotor (10) stationär angeordnet ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach den Ansprüchen 2-6, wobei
ein Teil, insbesondere mehr als die Hälfte, des mittels des Stirlingmotors (10) erzeugten Stroms in das Stromnetz eingespeist wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Abwärme der Absorptionskältemaschine (30) einem Pufferspeicher zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Absorptionskältemaschine (30) als Wärmepumpe eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Abwärme der Absorptionskältemaschine (30) einer Hochtemperatur- Wärmepumpe (70) zugeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
von der Absorptionskältemaschine (30) erzeugte Kälte einem Wärmetauscher (75) zum Kühlen von zugeführter feuchter Außenluft zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, wobei
die Außenluft auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur von Wasser gekühlt wird zum Ausfällen von Wasser, insbesondere von Trinkwasser (115), aus der zugeführten feuchten Außenluft.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
von der Absorptionskältemaschine (30) erzeugte Kälte einer
Kompressionskältemaschine (150) zur Rückkühlung eines Arbeitsfluids der Kompressionskältemaschine (150) zugeführt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
ein Fluid des Stirlingmotors mittels einer Kältemaschine, insbesondere mittels einer Kompressions-Kältemaschine (130), abgekühlt und/oder mittels einer Wärmepumpe, insbesondere mittels einer Kompressions-Wärmepumpe (130), erwärmt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 10-14, wobei
Abwärme der Hochtemperatur-Wärmepumpe (70) der
Absorptionskältemaschine (30) zugeführt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Abwärme des Stirlingmotors (10) in einem Speicher, insbesondere einem Wasserspeicher, Latentwärmespeicher, chemischen Speicher,
Thermoölspeicher, Schichtspeicher und/oder Pufferspeicher (80), gespeichert wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
von der Absorptionskältemaschine (30) erzeugte Kälte in einem Speicher, insbesondere einem Eisspeicher und/oder einem Latentwärmespeicher, gespeichert wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 16 oder 17, wobei
zumindest ein Teil der Wärme von dem Speicher einer Wärmepumpe (130) zugeführt wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Abwärme einer Kompressionskältemaschine (150) einer Wärmepumpe (150) zugeführt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Abwärme des Stirlingmotors (10) einer Meerwasserentsalzungsvorrichtung (100) zum Verdampfen von Meerwasser zugeführt wird.
21. System zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte, umfassend
einen Stirlingmotor (10) und
eine Absorptionskältemaschine (30),
wobei
Abwärme des Stirlingmotors (10) der Absorptionskältemaschine (30), insbesondere einem Austreiber der Absorptionskältemaschine (30) zum Austreiben eines Kältemittels aus einem Lösungsmittel der
Absorptionskältemaschine (30), zuführbar ist.
22. System nach Anspruch 21, ferner umfassend
einen elektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom, der von dem Stirlingmotor (10) angetrieben wird.
23. System nach Anspruch 21 oder 22, ferner umfassend
das Sonnenlicht bündelnde Solarkollektoren, insbesondere Parabolspiegel (28), Fresnelspiegel und/oder Parabolrinnen, zur Zuführung von Wärme zu dem Stirling-Motor (10).
24. System nach einem der Ansprüche 21-23, insbesondere nach Anspruch 22 oder 23, wobei
der erzeugte Strom der Absorptionskältemaschine (30) zuführbar ist.
25. System nach einem der Ansprüche 21-24, wobei
die Abwärme des Stirlingmotors (10) einer Meerwasserentsalzungsvorrichtung (100) zuführbar ist.
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