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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Alle bekannten industriellen Prozesse oder Anlagen erzeugen Abwärme, das heißt Wärme, die typischerweise nicht weiter verwendet wird oder verwendbar ist. Abwärme mit einer Temperatur bis etwa 130 Grad Celsius wird als Niedertemperaturabwärme bezeichnet. Oberhalb von etwa 130 Grad Celsius spricht man von Hochtemperaturwärme oder Prozesswärme. Niedertemperaturabwärme kann aufgrund ihrer geringen Temperatur, das heißt unterhalb von etwa 130 Grad Celsius, typischerweise nicht wieder industriellen Prozessen oder Anlagen zugeführt werden.
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Um aus der Niedertemperaturabwärme eines industriellen Prozesses eine wertvolle Prozesswärme zu erhalten, ist es erforderlich die Temperatur der Abwärme, beispielsweise mittels elektrischer Energie oder mittels einer Gasverbrennung, zu erhöhen.
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Wärmepumpen können dazu verwendet werden die Temperatur einer Abwärme zu erhöhen. Allerdings gelingt dies typischerweise nur bis zu einer Temperatur, die unterhalb von 150 Grad Celsius liegt. Das ist deshalb der Fall, da die Temperatur, die maximal mit einer Wärmepumpe erreicht werden kann, durch das verwendete Arbeitsfluid der Wärmepumpe limitiert ist. Für bekannte Arbeitsfluide lassen sich lediglich Temperaturen bis höchstens 150 Grad Celsius erreichen, sodass Prozesswärme mit maximal 150 Grad Celsius bereitgestellt werden kann. Diese Temperatur ist für typische Anwendungen, die Temperaturen bis zu etwa 600 Grad Celsius erfordern, noch zu gering.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde Abwärme in Prozesswärme mit einer ausreichend hohen Temperatur zu wandeln.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst
- – eine Kompressionswärmepumpe mit einem Verdampfer zur Aufnahme einer ersten Wärme und einem Kondensator zur Abgabe wenigstens eines Teils der aufgenommen ersten Wärme; und
- – einen thermochemischen Wärmespeicher mit einem ersten Reaktor zur Aufnahme einer zweiten Wärme mittels einer endothermen chemische Reaktion und einen zweiten Reaktor zur Abgabe wenigstens eines Teils der aufgenommenen zweiten Wärme mittels einer exothermen chemischen Reaktion. Erfindungsgemäß ist der Kondensator der Kompressionswärmepumpe mit dem ersten Reaktor des thermochemischen Wärmespeichers derart thermisch gekoppelt, dass der durch den Kondensator abgegeben Teil der ersten Wärme als die zweite Wärme auf den ersten Reaktor übertragen wird.
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Der erste und zweite Reaktor können baulich auch mittels eines gemeinsamen Reaktors realisiert werden. Dann erfolgt die endotherme und exotherme Reaktion innerhalb des gemeinsamen Reaktors, sodass der erste und zweite Reaktor eine bezüglich der endothermen und exothermen Reaktion symbolische Unterteilung darstellen.
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Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Teil der ersten Wärme auf den thermochemischen Wärmespeicher übertragen. Der übertragene Teil der ersten Wärme entspricht der zweiten Wärme. Durch den zweiten Reaktor des thermochemischen Wärmespeichers wird wenigstens ein Teil der zweiten Wärme, das heißt wenigstens ein Teil des Teils der ersten Wärme durch eine exotherme Reaktion wieder abgegeben. Da die Temperatur der exothermen chemischen Reaktion über den Druck innerhalb des zweiten Reaktors regelbar ist, kann der Druck derart eingestellt werden, dass die Temperatur des abgegeben Teils der zweiten Wärme größer als die Temperatur des aufgenommen Teils der ersten Wärme (zweite Wärme) ist. Insgesamt kann dadurch die Temperatur wenigstens eines Teils der ersten Wärme (abgegebener Teil der zweiten Wärme) derart erhöht werden, dass dieser eine Prozesswärme (Hochtemperaturwärme) darstellt. Das ist deshalb der Fall, da thermochemische Wärmespeicher weitaus höhere maximale Temperaturen für die bereitgestellte Wärme aufweisen als Wärmepumpen, insbesondere Kompressionswärmepumpen.
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Allerdings ist für die endotherme chemische Reaktion, bei typischen handhabbaren Drücken, bereits eine relativ hohe Temperatur der hierfür verwendeten Wärme (Teil der ersten Wärme) erforderlich, typischerweise oberhalb von 100 Grad Celsius, die durch die Kompressionswärmepumpe vorteilhafterweise bereitgestellt wird. Mit anderen Worten wird wenigstens ein Teil der ersten Wärme auf ein erstes Temperaturnievau mittels der Kompressionswärmepumpe und anschließend wiederum wenigstens ein Teil des Teils der ersten Wärme auf ein bezüglich des ersten Temperaturnievau höheres zweites Temperaturnievau mittels des thermochemischen Wärmespeichers angehoben. Der thermochemische Wärmespeicher ist daher als chemische Wärmepumpe ausgebildet. Dadurch bildet sich eine Kaskade aus einer ersten und zweiten Wärmepumpe aus, wobei die erste Wärmepumpe eine Kompressionswärmepumpe ist, und die mit der ersten thermisch in Reihe gekoppelte zweite Wärmepumpe ein thermochemischer Wärmespeicher ist.
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Die thermische Kopplung der Kompressionswärmepumpe mit dem thermochemischen Wärmespeicher gelingt erfindungsgemäß über den Kondensator der Kompressionswärmepumpe und über den ersten Reaktor des thermochemischen Wärmespeichers, der für die endotherme Reaktion vorgesehen ist. Dadurch wird der bereits bezüglich seiner Temperatur erhöhte Teil der ersten Wärme der endothermen Reaktion zu deren Unterstützung oder Unterhaltung zugeführt.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit Wärme mit einer niedrigen Temperatur, insbesondere Niedertemperaturabwärme, in wertvolle Prozesswärme gewandelt werden. Das ist deshalb der Fall, da typische thermochemische Wärmespeicher eine hohe Temperatur ihrer abgegebenen Wärme, beispielsweise bis zu 550 Grad Celsius, aufweisen.
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Durch die vorliegende Vorrichtung kann weiterhin der Druck innerhalb des ersten und zweiten Reaktors, das heißt der Druck, bei dem die endotherme und exotherme chemische Reaktion des thermochemischen Wärmespeichers erfolgen, vorteilhafterweise auf ein technisch handhabbares Niveau reduziert werden. Das ist deshalb der Fall, da die dem thermochemischen Wärmespeicher prozesstechnisch vorgelagerte Kompressionswärmepumpe die aufgenommene Wärme, das heißt die erste Wärme, bereits auf eine bezüglich ihrer ursprünglichen Temperatur höhere Temperatur anhebt. Ohne dieses erste Anheben ihrer Temperatur könnte die erste Wärme nur unter äußerst extremen Druck, beispielsweise unterhalb von 10 Pascal innerhalb des ersten Reaktors, dem thermochemischen Wärmespeicher zugeführt werden.
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Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Wärme, insbesondere Abwärme und/oder Niedertemperaturabwärme, zu Prozesswärme aufgewertet werden. Dadurch wird zusätzlich die Effizienz der die Wärme beziehungsweise Niedertemperaturabwärme erzeugenden industriellen Anlage erhöht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst wenigstens die Schritte:
- – Bereitstellen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- – Aufnahme einer ersten Wärme durch den Verdampfer;
- – Abgabe wenigstens eines Teil der ersten Wärme an den ersten Reaktor des thermochemischen Wärmespeichers als zweite Wärme; und
- – Aufnahme der zweiten Wärme durch den ersten Reaktor mittels einer endothermen chemischen Reaktion.
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Es ergeben sich zur bereits genannten Vorrichtung gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den weiteren Schritt:
- – Abgabe wenigstens eines Teils der zweiten Wärme durch den zweiten Reaktor mittels einer exothermen chemischen Reaktion.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Prozesswärme in Form eines abgegebenen Teils der zweiten Wärme bereitgestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kondensator innerhalb des ersten Reaktors angeordnet.
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Vorteilhafterweise kann dadurch der Kondensator der Kompressionswärmepumpe in den ersten Reaktor des thermochemischen Wärmespeichers direkt integriert werden. Dadurch wird die erste Wärme effizienter auf den thermochemischen Wärmespeicher übertragen, sodass der Teil der auf den ersten Reaktor übertragenen ersten Wärme vorteilhafterweise vergrößert werden kann. Insgesamt wird aufgrund des verbesserten Wärmeübergangs zwischen dem Kondensator und dem ersten Reaktor die Effizienz der Vorrichtung erhöht. Zudem kann Bauraum eingespart werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der thermochemische Wärmespeicher einen mechanischen oder einen thermischen Verdichter.
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Vorteilhafterweise wird dadurch die Effizienz des thermochemischen Wärmespeichers weiter verbessert. Insbesondere kann dadurch der Druck innerhalb des zweiten Reaktors angepasst werden, sodass die Temperatur des abgegebenen Teils der zweiten Wärme (Prozesswärme) eingestellt werden kann.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der Teil der abgegebenen ersten Wärme eine Temperatur im Bereich von 100 Grad Celsius bis 150 Grad Celsius, insbesondere von 100 Grad Celsius bis 130 Grad Celsius, aufweist.
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Vorteilhafterweise kann dadurch sichergestellt werden, dass der Druck im ersten und zweiten Reaktor innerhalb einem technisch handhabbaren und realisierbaren Niveau verbleibt. Das ist deshalb der Fall, da die Temperatur durch die vorgelagerte Kompressionswärmepumpe vorteilhafterweise auf den genannten Bereich von 100 Grad Celsius bis zu 150 Grad Celsius, insbesondere von 100 Grad Celsius bis 130 Grad Celsius, erhöht wird.
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Bevorzugt ist es weiterhin, wenn der abgegebene Teil der zweiten Wärme (Prozesswärme) eine Temperatur im Bereich von 150 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius, insbesondere von 150 Grad Celsius bis 550 Grad Celsius, aufweist.
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Dadurch wird eine vorteilhafte Prozesswärme (abgegebener Teil der zweiten Wärme) bereitgestellt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, Abwärme, insbesondere aus einer industriellen Anlage, als erste Wärme aufzunehmen.
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Vorteilhafterweise kann dadurch Abwärme, insbesondere Niedertemperaturabwärme, die eine Temperatur unterhalb von 130 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 40 Grad Celsius bis 100 Grad Celsius, aufweist, mittels der Vorrichtung auf ein hohes Temperaturnievau, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von 150 Grad Celsius bis 550 Grad Celsius, angehoben werden. Dadurch wird vorteilhafterweise die Abwärme in bevorzugte Prozesswärme gewandelt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der erste Reaktor Calciumhydroxyd, Magnesiumhydroxid oder Acetaldehyd zur Aufnahme des Teils der ersten Wärme.
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Dadurch ist der thermochemische Wärmespeicher als Gas/Flüssigkeits-System oder als Gas/Feststoff-System ausgebildet. Hierbei wird beispielsweise das Calciumhydroxyd durch die Zuführung des Teils der ersten Wärme (endotherme chemische Reaktion) in Calciumoxid und Wasser beziehungsweise Wasserdampf aufgespalten. Das Calciumoxid wird im zweiten Reaktor gespeichert. Auch das Wasser kann zwischengespeichert werden. Wird dem Calciumoxid wieder Wasser beziehungsweise Wasserdampf, beispielsweise das zwischengespeicherte Wasser, zugeführt, so wird der Teil des zugeführten Teils der ersten Wärme (Teil der zweiten Wärme) mit einer höheren Temperatur wieder freigesetzt (exotherme chemische Reaktion). Der freigesetzte Teil entspricht dann der Prozesswärme. Die höhere Temperatur der Prozesswärme kann durch eine entsprechende Regelung des Druckes im zweiten Reaktor, bei dem die exotherme Reaktion erfolgt, erreicht werden.
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Für Magnesiumhydroxid ergibt sich ein zum Calciumhydroxyd analoger Prozess.
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Bei Verwendung von Acetaldehyd geht dieses durch Zuführung des Teils der ersten Wärme und von Wasserstoff in Ethanol (endotherme chemische Reaktion) über. Ethanol geht unter der Abgabe beziehungsweise der Freisetzung von Wärme, die der Prozesswärme entspricht, wiederum in Acetaldehyd und Wasserstoff über (exotherme chemische Reaktion).
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kompressionswärmepumpe als Hochtemperaturwärmepumpe ausgebildet.
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Als Hochtemperaturwärmepumpe wird eine Wärmepumpe bezeichnet, die es ermöglicht, eine Wärme mit einer Temperatur oberhalb von 100 Grad Celsius bereitzustellen. Dadurch wird vorteilhafterweise die Effizienz der Vorrichtung weiter verbessert.
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Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Hochtemperaturwärmepumpe ein Arbeitsfluid aufweist, das Trans-1-chloro-3,3,3-trifluoropropene, 1,1,1,4,4,4-Hexafluor-2-buten oder wenigstens ein Fluorketon umfasst.
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Vorteilhafterweise kann dadurch die Effizienz der Hochtemperaturwärmepumpe und somit die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verbessert werden. Insbesondere werden dadurch hohe Temperaturen des abgegebenen Teils der ersten Wärme, beispielsweise oberhalb von 100 Grad Celsius, insbesondere im Temperaturbereich von 100 Grad Celsius bis 130 Grad Celsius, ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die endotherme Reaktion bei einem ersten Druck und die exotherme Reaktion bei einem derartigen zweiten Druck, dass der Teil der zweiten Wärme bei einer bezüglich der Temperatur der aufgenommenen zweiten Wärme höheren Temperatur abgegeben wird.
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Vorteilhafterweise wird dadurch die Temperatur beziehungsweise das Temperaturniveau der Prozesswärme (abgegebener Teil der zweiten Wärme) erhöht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der einzigen Zeichnung. Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1, die eine Kompressionswärmepumpe 2 sowie einen thermochemischen Wärmespeicher 4 umfasst. Die Trennung zwischen der Kompressionswärmepumpe 2 und dem thermochemischen Wärmespeicher 4 ist hierbei symbolisch durch die gestrichelte Linie 100 verdeutlicht.
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Die Kompressionswärmepumpe 2 umfasst einen Verdampfer 6, einen Verdichter 10, einen Kondensator 8 sowie ein Expansionsventil 12. Weiterhin umfasst die Kompressionswärmepumpe 2 ein Arbeitsfluid, das mittels des Verdampfers 6 verdampft, mittels des Verdichters 10 verdichtet, mittels des Kondensators 8 kondensiert und mittels des Expansionsventils 12 expandiert wird.
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Der thermochemische Wärmespeicher 4 weist einen ersten Reaktor 31 sowie einen zweiten Reaktor 32 auf. Zudem umfasst der thermochemische Wärmespeicher 4 einen weiteren Verdichter 11. Der erste Reaktor 31 des thermochemischen Wärmespeichers 4 ist für eine endotherme chemische Reaktion vorgesehen, beispielsweise die Dehydratisierung von Calciumhydroxid zu Calciumoxid. Der zweite Reaktor 32 des thermochemischen Wärmespeichers ist für eine exotherme chemische Reaktion vorgesehen, beispielsweise die Hydratisierung von Calciumoxid zu Calciumhydroxyd.
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Die Reaktoren 31, 32 weisen jeweils einen Druck auf. In Abhängigkeit des in den Reaktoren 31, 32 vorherrschenden Druckes kann die Temperatur der endothermen beziehungsweise exothermen Reaktion eingestellt werden. Beispielsweise wird über den Druck im zweiten Reaktor 32 die Temperatur der bei der exothermen chemischen Reaktion freigesetzten Wärme (Prozesswärme) festgelegt.
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Der zweite Reaktor 32 ist mit einem Wärmetauscher 14 zur Abgabe der bei der exothermen chemischen Reaktion freigesetzten Wärme 43 thermisch gekoppelt. Die hierbei freigesetzte Wärme 43 entspricht der Prozesswärme, die aufgrund ihrer hohen Temperatur weiter verwendet werden kann.
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Die Kompressionswärmepumpe 2 und der thermochemische Wärmespeicher 4 sind derart thermisch miteinander gekoppelt, dass eine durch den Verdampfer 6 der Kompressionswärmepumpe 2 aufgenommene erste Wärme 41 auf den ersten Reaktor 31 des thermochemischen Wärmespeichers wenigstens teilweise übertagen wird (Teil der ersten Wärme). Hierbei wird der Teil der ersten Wärme 41 durch eine Kondensation des Arbeitsfluids der Kompressionswärmepumpe innerhalb des Kondensators 8 wieder freigesetzt und auf den ersten Reaktor 31 übertragen. Das ist deshalb der Fall, da der Kondensator 8 direkt innerhalb des ersten Reaktors 31 des thermochemischen Wärmespeichers 4 angeordnet ist. Dadurch wird wenigstens ein Teil der durch den Verdampfer 6 aufgenommen ersten Wärme 41 auf den thermochemischen Wärmespeicher übertragen. Durch diese Wärmeübertragung wird die endotherme chemische Reaktion, beispielsweise von Calciumhydroxyd zu Calciumoxid und Wasser, unterhalten oder aufrechterhalten.
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Vorteilhafterweise wird die Temperatur der ersten Wärme 41 durch die Kompressionswärmepumpe 2 derart angehoben, dass diese wenigstens einen Beitrag zur endothermen chemischen Reaktion innerhalb des ersten Reaktors 31 leistet. Insbesondere ist die Temperatur des übertragenen Teils der ersten Wärme 41 ausreichend um die endotherme Reaktion innerhalb des ersten Reaktors 31 abzudecken.
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Mittels des zweiten Reaktors 32 kann dann die vorher durch den Reaktor 31 aufgenommene zweite Wärme (übertragener Teil der ersten Wärme 41) durch eine exotherme chemische Reaktion, die innerhalb des zweiten Reaktors 32 erfolgt, wieder abgegeben werden. Hierbei erfolgt die exotherme chemische Reaktion 32 bei einem zur endothermen chemischen Reaktion verschiedenen Druck, sodass die Temperatur der exothermen chemischen Reaktion erhöht werden kann. Mit anderen Worten wird bei der exothermen chemischen Reaktion die vorher aufgenommene und gespeicherte Wärme wieder bei einer höheren Temperatur freigesetzt und somit bereitgestellt. Diese kann dann als Prozesswärme 43 über den Wärmetauscher 14 zu ihrer Verwendung weitergegeben werden.
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So ergibt sich erfindungsgemäß eine Kaskade von immer höheren Temperaturen, die durch eine Kaskade von zwei verschiedenen Wärmepumpen, das heißt der Kompressionswärmepumpe 2 und der chemischen Wärmepumpe 4 (thermochemischer Wärmespeicher), ermöglicht wird. Weiterhin kann eine Kaskade einer Mehrzahl von Kompressionswärmepumpen und thermochemischer Wärmespeicher gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
