DE2807075A1 - Verfahren zum betrieb eines heizkraftwerkes und geeignetes heizkraftwerk - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines heizkraftwerkes und geeignetes heizkraftwerkInfo
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Description
Daimler-Benz Akt iengese 1 1 «(.Ί-ί ft
Stuttgart-Untertürkheim 9 Q Π 7 Ί 7 K
Verfahren beim Betrieb eines Heizkraftwerkes und geeignetes Fleizkraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren beim Betrieb eines Heizkraftwerkes
,nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Heizkraftwerk selber nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.
Weil bei Wärmekraftmaschinen bzw. Wärmekraftanlagen wie z. B. Gasmotoren oder Gasturbinenanlagen oder auch Dampfturbinenanlagen
der Wirkungsgrad bei der Erzeugung mechanischer Eneigie nur sehr gering ist, fällt ein hoher Anteil der hineingesteckten
Primärenergie in Form von Abwärme an. Dies2r Abwärmeanteil bezogen auf die hineingesteckte Primärenergie beträgt größenordnungsmäßig
etwa zwei Drittel. Es ist bekannt, diese Abwärme" zu Heizzwecken auszunutzen. Auch bei stationären Heizkraftwerken,
deren primäre Aufgabe darin besteht, Heizenergie zentral zu erzeugen, ist'man dazu übergegangen, eine Wärmekraftanlage
zu installieren, deren mechanische Antriebsenergie zur
Stromerzeugung und deren Abwärmeenergie zu Heizzwecken zu verwenden.
Dadurch kann insgesamt ein sehr hoher Ausnutzungsgrad
der hineingesteckten Primärenergie erzielt werden fvgl. "Kommunalwirtschaft"
19 76, 63 ff).
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Dai in 12 ο 16/4
Trotz des geschilderten Vorteils einer hohen Energieausnutzung
bei der Umwandlung der Primärenergie haftet der dort geschilderten Möglichkeit zur wirtschaftlichen Wärmeversorgung von
Siedlungen oder größeren Einzel Objekten eine Reihe von Nachteilen
an.. Ein Nachteil ist, daß die Wärmekraftanlage wegen
eines auch nachts bestehenden Bedarfes an Wärme zumindest mit einer gewissen Teillast nachtsüber betrieben werden muß. Da
aber die Lärmschutzbestimmungen nachts wesentlich schärfer sind als tagsüber, können bei Nachtbetrieb der Wärmekraftanlage
gewisse Sch.all-Emissionswerte nur mit. unvertretbar hohem Aufwand an iaäiermaßnahmen unterschritten 'werden. Außerdem
liegen die Bedarfsspitzen für elektrische Energie zum einen
und für Wärmeenergie zum anderen zeitlich innerhalb eines 24-Stunden-Ablaufes unterschiedlich. Wegen dieser Zeitverschiebung
der Bedarfsspitzen der beiden Energieformen kann die Anlage kaum in ihrem Optimalpunkt betrieben werden. Optimal
.wäre es,wenndas Verhältnis von elektrischen Energiebedarf
zu Wärmeenergiebedarf etwa dem Verhältnis von ausnützbarer mechanischer^Energie zu ausnützbarer Abwärmeenergie, also
größenordnungsmäßig, etwa im Verhältnis eins zu zwei liegt. Diese Relation ist aber innerhalb eines Tagesablaufes relativ
selten und nur während relativ kurzer Zeiträume gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit aufzuzeigen,
wie die geschilderten Nachteile vermieden werden können, d. h.,
wie das ■, kombinierte Strom- und Heizkraftwerk trotz zeitlich unterschiedlich
liegender Bedarfsspitzen für Strom bzw. Wärme optimal
im Hinblick auf die Energieausnutzung betrieben werden kann.
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O φ Da im 12 ο 16/4
Diese Aufgabe wi.rd erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale von Anspruch 1 bzw. die von Anspruch 8 gelöst.
Durch die Erfindung wird eine Speicherung von Wärmeenergie zu Zeiten relativ geringen Wärmebedarfes und eine Freigabe
der gespeicherten Wärmemenge zu Zeiten höheren Wärmebedarfes
gelehrt. Die dazu vorgeschlagenen Meta 11hydridspeicher
haben eine sehr hohe-spezifische Speicherkapazität, die um
Größenordnungen höher liegt als die spezifische Speicherkapazität herkömmlicher Speichersysteme. Wegen der hohen realisierbaren
Speicherdichten ist die Verschiebung von Erzeugerspitzen
auch höherer Leistungsblöcke innerhalb eines Ta.geszyklus ohne weiteres mit vertretbarem Aufwand möglich.
Metallhydridspeicher sind an sich bekannt. Es handelt sich dabei um ein verpreßtes Granulat aus Körnern bestimmter Metalle,
die die Eigenschaft haben, Wasserstoff chemisch vollreversibel zu binden bzw. wieder freizugeben. Bei der
Bindung von Wasserstoff wird Wärme freigesetzt und umgekehrt wird bei der Freisetzung von Wasserstoff Wärmeenergie
benötigt. Das verpreßte Granulat muß genügend Hohlräume zum Durchtritt von Wasserstoff aufweisen. Zur Begünstigung des
Wärmeflusses innerhalb des Preßlings können Drähte oder Metallspäne mitverpreßt sein; in hydriertem Zustand ist das
Granulat nämlich ein .schlechter Wärmeleiter. Die mitverpreßten Metallspäne dürfen jedoch nicht hydrierbar sein;
geeignet wären beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
BAD
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Da im 12 ο 16/4
Die Energiespeicherung kann bei rein passiver Beteiligung des
Wasserstoffes vorgenommen werden, wobei der beim Entleeren des Speichers von Wasserstoff bzw. Einspeisen von Energie der
daraus freigesetzte Wasserstorr in Gasform in einem Behälter zwischenzuspeichern wäre, aus dein er bei Wassersto f fbefüllung
und energetischer Entleerung des Speichers wieder entnommen werden könnte.
Die geschilderte Energieshiftung kann auch unter aktiver Beteiligung
des Wasserstoffs erfolgen, indem 'der aus den Energiespeichern
freigesetzte Wasserstoff in der Wärmekraftanlage verbrannt wird. Hierbei kann als Primärenergieträger ohne
weiteres auch ein Kraftstoffgas verwendet werden, das Wasserstoff
lediglich enthält. Aus dem in die Metallhydridspeicher einzuleitendem Gasgemisch entnimmt das speicheraktive Metall
selektiv nur den Wasserstoff und läßt die übrigen Bestandteile des Gasgemisches völlig unbeteiligt wieder hindurch. Während
der Ladezeit der Speicher mit Wasserstoff - Energieentleerung - kann die Wärmekraftanlage mit einem an Wasserstoff
verarmten Gasgemisch als Kraftstoffgas betrieben werden. Während
der Entleerung der Speicher von Wasserstoff - Energiespeicherung - kann die Wärmekraftanlage entweder mit reinem
Wasserstoff oder mit Wasserstoff-angereichertem Gasgemisch
betrieben werden. ■
Da Abwärme von Wärmekraftanlagcn innerhalb eines sehr breiten
Temperaturspektrunis anfällt, ist es zweckmäßig, verschiedene
MetallhydridspeLcher gleichzeitig zu verwenden, deren Tempe-.raturniveau
unterschiedlich/liegt. Beispielsweise kann zur
Ausnützung der Wärme, die im Kühlwasser einer Brennkraf tmasrhine
enthalten ist, ein Niedcrtcmpcraturspeicher verwendet werden,
der mit einem "Granulat lic i'spie Lsweise aus Titaneisen ge-
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-iQ. Da im 12 o1d/4
füllt ist, dessen Temperaturniveau je nach Höhe des Wasserstoffdruckes
zwischen -2o und +4o C liegt. Für die Ausnutzung der im Abgas enthaltenen Abwärme der Brennkraftmaschine kann ein
Hochtemperaturspeicher mit einem Granulat aus Nickelmagnesium verwendet werden, dessen Temperaturniveau im Bereich zwischen
25o und 4oo 0C liegt.
Bei der Mitverbrennung von Wasserstoff in der Wärmekraftanlage wird laufend Wasserstoffgas benötigt, welches aus anderen Primärenergieträgern,
wie Kohle oder Erdgas durch Steamreforming, Kohlevergasung oder Spaltvergasung erzeugt werden muß. Dies
sind exotherm ablaufende Umwandlungsprozesse. Bezogen auf die bei der Wasserstofferzeugung hineingesteckte Primärenergie ist
die im erzeugten Wasserstoff enthaltene Energie je nach Art des Verfahrens bei der Wasserstofferzeugung um 15 bis 3o Prozent
geringer. Diese Umwandlungsverluste belasten vom Standpunkt einer Energiebilanzierung aus das vorgeschlagene wasserstoffverbrauchende
Energie-Shiftungsverfahren. Durch die finergie-Shiftung
wird aber dank der stets optimal möglichen Betriebsweise des Kraftwerkes auch Energie im Vergleich zum vorbekannten
kombinierten Strom-Wärme/Kraftwerk eingespart, so daß die Umwandlungsverluste bei der Wasserstofferzeugung zu-,
mindest ausgeglichen werden.
Um - im volkswirtschaftlichen Rahmen gesehen - auch diese Umwandlungsverluste
zu beseitigen, ist es zweckmäßig, die bei der Wasserstofferzeugung anfallende Abwärme ebenfalls zu
Heizzwecken auszunutzen. Dabei können Nachfragespitzen innerhalb eines Tagesablaufes aus Wärmespeichern der geschilderten
Art gedeckt werden, die zu Zeiten geringen Wärmebedarfs aus dem mit etwa konstanter Auslastung durchfahrenden Wassersto'T-Erzeugungsbetrieb
wieder aufgefüllt werden. ,
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280707b
ι a Maim 12 old/4
Die Erfindung ist anhand circs in der Zeichnung dargestellten
AusführungsbeiSpieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei
zeigt die Figur nach Art eines B1ockdiagrammes schematisch
ein kombiniertes Strom-Wärme-KTaftwerk mit einer Energiespeicher-
und -Verschiebemöglichkeit nach der Erfindung.
Das mit einer strichpunktierten Linie umgrenzte Heizkraftwerk
weist folgende wesentlichen Bestandteile auf: einen Gasmotor als Ausführungsbeispiel einer Wärmekraftanlage, ein mit ihm
mechanisch gekoppelter elektrischer Generator 3, ein Gasspeicher 4, ein Spitzenlast-Heizkessel 5, mehrere Sammler für Niedertemperaturwasser
(6), für Heißwasser (7), für Sattdampf (8) und fur Heißdampf (9) sowie wenigstens einen Wärmetauscher Io für
das Heizwännenetζ 1 1 . Der Stromgenerator speist in das öffentliche
Stromnetz 12. Die Abfuhr von elektrischer Energie bzw. von Heizwärmeenergie soll durch die Pfeile 29 bzw. 3o symbolisiert
sein.
Die Brennkraftmaschine 2 ist der Wärmeerzeuger des Kraftwerkes.
Rund ein Drittel der dem Motor zugeführten Primärenergie ist in dem durch die wärmeisolierte Leitung 19 abgeführten Abgas.
enthalten. Rund ein weiteres Drittel der eingesetzten Primärenergie ist in dem Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine
enthalten; es muß zjjr Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden
Temperaturniveaus des Gasmotors aus dem Kühlwasser laufend
abgeführt werden. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist auch der Vorlauf 21 des Kühlwasserkreislaufes wärmeisoliert. Der
Vorlauf des Kühlwasserkreislaufes ist noch durch einen Ölwär-
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Oa im 12 ο 16/1
metauscher 18 der Brennkraftmaschine hindurchgeführt, um auch
die im Schmieröl des Motors enthaltene Wärme noch mit ausnützen
zu können.
Die heißen Abgase der Brennkraftmaschine werden durch einen Abgaswärmetauscher
15 geleitet, der wärmeaufnahmeseitig von einem Medium aus dem Sattdampfsammler 8 durchströmt wird; der wärmeaufnahmeseitige
Abfluß dieses Wärmetauschers ist auf den Heißdampfsammler 9 geschaltet. Zur Ausnützung der nach Durchtritt
durch den Wärmetauscher 15 noch im Abgas enthaltenen Restwärme ist ein weiterer Abgas-Restwärmetauschcr 17 vorgesehen, in dem
dem·Abgas der überwiegende Teil der Restwärme entzogen wird. Das Abgas gelangt dann über den Abgaskamin 2o ins Freie; die
Abgasabfuhr soll durch den Pfeil 32 symbolisiert sein. Der Restwärmetauscher 17 wird wärmeaufnahmeseitig von Wasser
durchströmt, welches auf der Niedertemperaturseite mit dem Niedertemperaturwasser-Sammler 6 und auf der anderen Säte mit
dem Heißwassersammler 7 verbunden ist.
In ähnlicher Weise ist der Kühlkreislauf 21/22 der Brennkraftmaschine
durch einen Wärmetauscher 16 hindurchgeführt, an welchem das Kühlwasser seine Wärme ebenfalls an Wasser abgibt,
welches wärmeaufnahmeseitig auf den Niedertemperaturwasser-Sammler
Ci bzw. an den Ileißwasser-Sammler 7 angeschlossen ist.
Über die drei genannten Wärmetauscher für Abgas - Wärmetauscher
15 und 17 - bzw. für Kühlwasser - Wärmetauscher 16 - kann die Abwärme der Brennkraftmaschine 2 wenigstens mittelbar jedoch
zeitlich unvcrzögert in das Heizwärmenetz 11 eingespeist wer-
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Da im 12 old/'l
den. Durch geeignete Anordnung von Lcitungsschaltern, die jedoch
nicht dargestellt sind, kann das würmcaufnahmeseitig
durch den Wärmetauscher 15 zirkulierende Medium auch durch die
Wärmetauscherschlange 33 h i !!durchgeführt werden. Diese WärmetäuseherSch
lange ist im Innern eines Ilochtcmperaturspcichcrs 13 angeordnet. Dank dieser Anordnung kann die im Wärmetauscher
15 vom Abgas -abgegebene Wärmemenge vollständig oder teilweise in den Metallhydridspeicher 13 überführt und darin gespeichert
werden. Gasseitig ist der Metallhydridspeicher an den Gasspeicher
4 zum Befüllen mit Wasserstoff anschließbar oder er kann
zum Entleeren von Wasserstoff auch gasaufnahmeseitig mit der
Brennkraftmaschine 2 verbunden werden. Aufnahmefähig für Abwärme
ist der Speicher, wenn ihm zugleich Wasserstoff entnommen
wird.
Die .Energiespeicherdichten- von Metallhydriden, insbesondere
von Hochtcmperatur-Metal1 hydriden sind sehr groß; die Werte
liegen etwa bei 1,ο bis 1,8 kWh/kg Metallhydrid.
Auch die .am Wärmetauscher 16 vom Kühlwasser abgegebene Wärmemenge
kann ganz oder teilweise in einem weiteren und zwar
auf niedrigerem Temperaturniveau arbeitenden Metallhydridspeicher
14 aufgenommen und gespeichert werden. Die Wärme gelangt ebenfalls über eine Wärmetauscherschlange 34 in das
Innere des Speichers..Die Speicherdichten von Niedertemperatur-Metallhydriden
sind nicht ganz so hoch wie die von Metalihydriden des hohen Temperaturniveaus, jedoch liegen die
entsprechenden Werte - etwa o,(i5 bis l,o kWh/kg Metallhydrid im
Vergleich zu Speicherdichten anderer Systeme ebenfalls noch
sehr hoch.
θ 0 9 8 3 A / 0 3 5 6 bad original.
'AU
Du im Μ ο 16/1
Die Wirkungsweise der geschilderten Anordnung ist nun kurz
folgende: Überwiegt der Bedarf an elektrischer Hnergie gegenüber dem Bedarf an Wärmeenergie, so werden die Wärmetauscherschlangen
33 und 34 allein-e oder zum überwiegenden Teil an die Wärmetauscher 15 bzw. 16 angeschlossen und nur
ein geringer oder gar kein Abwärmeanteil der Brennkraftmaschine gelangt auf die Sammler 6 bis 9. Dadurch wird Abwärme
in den Speichern 13 bzw. 14 gespeichert und zugleich aus ihnen Wasserstoff freigesetzt, der in der Brennkraftmaschine
2 als Kraftstoffgas mit verbrannt werden kann. Bei einem
Überwiegen von Wärmeenergiebedarf gegenüber dem Bedarf an elektrischer Energie kann die Brennkraftmaschine auf einen
zur Deckung des elektrischen Energiebedarfs entsprechenden
Tei1 lastbetrieb zurückgefahren oder ganz abgeschaltet werden.
Der Wärmebedarf kann nun aus der verbleibenden geringen Abwärme des reduzierten Motorbetriebes und vor allen
Dingen aus den beiden Speichern 13 und 14 heraus gedeckt werden. Dazu ist eine Zufuhr von Wasserstoff in die Speicher
erforderlich, der darin reversibel gebunden wird und wobei gleichzeitig die Bindungsenthalpie■freigesetzt wird.
Bei Hochtemperaturspeichern, die aus Magnesiumlegierungen bestehen, liegt diese Wärmemenge etwa bei 63 bis 8o kJ/mol II·.,.
Bei einem beispielsweise aus Titaneisen bestehenden Niedertemperaturspeicher
Hegen die entsprechenden Werte beispielsweise bei 31 kJ/mol Ih7 · Hank der geschilderten Speichertechnik
kann das Verhältnis von momentan abgegebener elektrischer Energie zu momentan abgegebener Wärmeenergie in weiten Grenzen
beliebig innerhalb eines Tagesaablaufes variiert werden. Innerhalb von Zeiträumen, die einem Vielfachen der zeitlichen
Speichermöglichkeit der installierten Speicher entspricht,
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ιλ Da im 12 old /4
ist das zeitlich gemittclte Verhältnis von elektrischer Energie
zu Wärmeenergie durch das von der Brennkraftmaschine 2
vorgegebene Verhältnis von ausnützbarer mechanischer Energie zu; ausnützbarer Abwärmcenergic bestimmt. An diesem längerfristig
gemi.ttelten Verbaltnis der linergiearten kann nur in sehr
beschränktem Umfang etwas geändert werden.
Durch Umfüllen von Wasserstoff zwischen den beiden Speichern 13 und 14, und zwar vom Uochtemperaturspeicher 1o in den Niedertemperaturspeichcr
14 kann ebenfalls Heizenergie nach aussen abgeführt werden, ohne daß Primärener-gie verbraucht werden
muß. Die in dem wasscrsto ITaufnahmefähigen Hochtemperaturspei-cher
beim Umfüllen freiwerdende Bindungsenthalpie (z.B. 63 kJ/mql fU·} ist nämlich größer als die im Niedertemperaturspeicher
zum Freisetzen des Wasserstoffes erforderliche Freisetzungsenthälpie
(z. B. 3 1 kJ/mol H2). Dieser Unterschied
der Enthalpien kann nach außen abgeführt werden. Die im Niedertemperaturspeicher erforderliche Freisetzungsenthaipie
kann bei gleichzeitigem elektrischen Energiebedarf durch Motorabwärme beispielsweise aus dem Kühlwasserkreislauf aufgebracht:
werden. Da hierbei die Abgasabwärme im Hochtemperaturspeidier nicht benötigt wird - dieser produziert im Gegen- "
teil selber Wärme -,.kann bei Aufrechterhaltung des Motorbetriebes
während einer Speicherumfüllung die Abgasabwärme ohne
Zwischenspeicherung gleich zu Heizzwecken ebenfalls nach außen abgeführt werden. Sollte während des Umfüll Vorganges
keine elektrische Energiejbenötigt werden, so kann die Brennkraftmaschine
abgeschaltet werden. Die im Niedertemperaturspeicher erforderliche Freisetzungsenthalpie müßte dann aus
der im Hochtemperaturspeicher freiwerdende Bindungsenthalpie mit gedeckt werden. Der nach außen abführbare Gesamtbetrag
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j, na im 12 o16/4
-/IIP·
an Heizenergie ist- dann im wesentlichen auf den Unterschied
der Enthalpien beschränkt.
Es sei hier der Vollständigkeit h-alber noch erwähnt, daß der
Hochfemper'aturspeicher aus kaltem bzw. raumwarmem Zustand heraus durch Wärmezufuhr auf eine bestimmte, etwa bei 25o
bis 3oo °C liegende Aktivierungstemperatur gebracht werden muß, bevor eine Wasserstoffaufnahme bzw. Wasserstoffabgabe
mit einer praktisch brauchbaren Reaktiongeschwindigkeit erfolgen kann. Beim Befüllen des Hochtemperaturspeichers mit
Wasserstoff kann die Wärmezufuhr für die Aktivierung abgesetzt werden, sobald die Aktivierungstemperatur erreicht
ist.1 Durch weitere Wasserstoffzufuhr hält der Speicher dann
dank der hohen Reaktionskinetik diese Temperatur selber aufrecht und ist dabei überdies in der Lage, Wärmeenergie nach
außen abzuführen. Beim Entleeren des Hochtemperaturspeichers von Wasserstoff - thermisches Befüllen - muß selbstverständlich
auch über die Aktivierungsphase hinaus die Wärmezufuhr afrechterhalten warden. Die Niedertemperaturspeicher haben bereits
bei Raumtemperatur eine ausreichend hohe Reaktionskinetik, so daß bei ihnen eine Aktivierung entbehrlich ist.
Die Wärmezufuhr zum Hochtemperaturspeicher während der Aktivierungszeit
kann aus der Abgasabwärme der Brennkraftmaschine erfolgen, was insbesondere dann angezeigt ist, wenn im Kraftwerk
sonst keine Wärmeträger einer ausreichend hohen Temperatur und in ausreichend großer Menge zur Verfügung stehen. Es wäre aber
auch denkbar, den Hochtemperaturspeicher aus dem Heißdampfsammler des Kraftwerkes zu aktivieren, der seinerseits im Falle un:u reichender
Kapazität laufend aus der Abgasabwärme gespeist würde.
909834/0356
,JT Ha im 12 υ 16/4
In diesem Fall würde die Aktivierung mittelbar aus der Motorabwärme
erfolgen.
Außer einer Verwendung von Abwärme der Brennkraftmaschine 2
kann'noch eine Ausnutzung der Wärme der Umgebungsluft in Betracht
kommen. Zu diesem Zweck ist ein weiterer Niedertemperaturspeicher 23 im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen,
in den wärmeaufhahmcseitig bzw. wärmeabgabesei tig zwei
Wärmeaustauscherschlangen 35 und 36 hineingeführt sind. Die eine Wärmeaustauscherschlange 35 ist mit einem Luftkühler 25
verbunden, dem Umgebungsluft 28 über einen Ventilator 26 zugeführt werden kann. Die andere Wärmeaustauscherschlange 36
ist "auf einen Wärmetauscher 24 geschaltet, über den während
des Befüllens des Speichers mit Wasserstoff die freiwerdende
Bindungsenthalpie an den Hcißwasscrsammler 7 abgeführt und zu
Hei ζ zwecken ausgenützt werden kann. In dem den Luftwärmetauscher
25 verlassenden Luftstrom ist ein weiterer Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher 25a angeordnet, über den einem nach außen
geführten Kältemittelkreislauf Kälteenergie zugeführt werden
kann, was durch den nach außen geführten Pfeil 31 symbolisiert sein soll. Der weitere Niedertemperaturspeicher 23 ist gassei-.,
tig sowohl mit dem Gasspeicher 4 zum Auffüllen mit Wasserstoff" als auch mit dem Motor 2 zum Entleeren von Wasserstoff verbindbar.
Die Wirkungsweise dieser zuletzt geschilderten zusätzlichen
Anordnung ist nun kurz folgende: Der Niedertemperaturspeicher
23 arbeitet bei einem solchen Wasserstoffdruck, bei dem das Temperaturniveau dieses Speichers in Gefrierpunktnähe oder sogar
darunter liegt. Hin derartig niedriges Temperaturniveau ist
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.η Daim 12 ο16/4
mit einem Titaneisenspeicher und einem Wasserstoffdruck im Bereich
von 1 bar ohne weiteres realisierbar. Dank des niedrigen Temperaturniveaus kann der Speicher 23 während der Ladezeit, in
in der er mit Wasserstoff aufgefüllt und/der Bindungsenthalpie freigesetzt wird, durch Ausnutzen dieser Energie über den Wärmetauscher
24 und die Wärmeaustauschschlange 36 zu Heizzwecken auf gleicher Temperatur gehalten werden. Dieser Betriebszustand
ist dann angezeigt, wenn nur wenig Kälte oder Klimatisierungsenergie benötigt wird, z. B. nachts. Zu Zeiten eines erhöhten
Kälteenergiebedarfes, beispielsweise tagsüber, wird der Speicher 23 von Wasserstoff entleert. Dabei muß Freisetzungsenthalpie
aigeführt werden, die sich das Metall des Speichers aus der unmittelbaren Umgebung selber holt. D. h., der Speicher hat während
der Entleerungszeit das Bestreben, sich sehr stark abzukühlen; er wirjct als Kältequelle. Diese Kälteenergie kann über die
Wärmetauscherschlange 35 und den Wärmetauscher 25 zunächst an die Umgebungsluft abgegeben werden, die sich auf etwa -6 r>is
+6 0C abkühlt. Mit der Kälteenergie dieser kalten Luft kann über
den Wärmetauscher 25a ein nach außen führender Kältemittelkreislauf
gespeist werden. Die abgeführte Kälteenergie (Pfeil 31) kann zu Zwecken der Raumklimatisierung, zur Kälteerzeugung in
Kalthäusern oder für Kunsteisbahnen verwendet werden. Es wäre ■ auch eine Abuhr der Kälteenergie aus dem Speicher 23 während der
Wasserstoffentleerung ohne den Umweg über die Umgebungsluft denkbar. Der nach außen führende Kühlkreislauf könnte unmittelbar an
die Kühlschlange 35 anschließen.
Die dem Kraftwerk 1 in Gasform zugeführte Primärenergie (Pfeil 27)
gelangt über Gasleitungen von einer Wasserstofferzeugungsanlage zu
dem Kraftwerk. Die bei der Wasserstofferzeugung anfallende Abwärme
OR/Q(NAL
909834/0356 .
Da im 12 ο 10/4
kann in ähnlicher-Weise wie im Kraftwerk 1 ebenfalls in Metal 1-hydriden
hoher Speicherdichte zwischengcspcichcrt und entsprechend
dem Bedarf von Heizenergie aus den Speichern wieder abgegeben werden. Dadurch kann einerseits ein konstanter Retrieb
bei der Wasserstofferzeugung aufrechterhalten werden, andererseits
kann jedoch die anfallende Abwärme voll nutzbringend zu Heizzweeken ausgenützt werden. Dadurch können die Vorteile der
an Wasserstoff gebundenenKnergieshiftung in dem kombinierten
Strom-Warme-Kraftwerk voll zur Geltung kommen; die in \rolkswirtschaftlichem
Rahmen gezogene Energiebilanz von Energieeintrag und Energieausnutzung ist dabei optimal.
Durch zusätzliche Installation einer Wärmepumpe 37 einschließlich
der dazu erforderlichen nicht dargestellten Anlagenteile
in dem Heizkraftwerk kann auch in längerfristigem Rahmen von mehreren Speicherzyklen ein Verhältnis elektrischer zu Heizenergie
von weniger als eins zu zwei, z. B. eins zu fünf oder
noch geringer gefahren werden, ja es kann auf ausschließliche Heizenergieerzeugüng übergegangen werden. Dabei können die Vorteile
einer .Wärmepumpenanlage , näml ich die Ausnutzung der Umgebungswärme
und Gewinnung von nutzbarer Heizenergie daraus mit relativ geringem Energieeinsatz , voll zur Geltung gebracht
werden. Die Abwärmemengen aus dem Antrieb der Wärmepumpe werden
dabei ja weitestgehend ebenfalls nutzbringen verwertet.
Leerseite
Claims (1)
- i);i i in I e r-BcMi". Ak t i (.muu'm- ι 1 μ li.i ftSt ut t ga rt -Un t c rt Γι ι kiio i in Da im IJ old/1AnsprücheT) Verfahren heim Betrieb eines Heizkraftwerkes, welches eine sowohl mechanische Antriebsenergie als auch Abwärme erzeugende Wärmekraftanlage, insbesondere eine Brennkraftmaschine enthält, welche mechanische Antriebsenergie zum Antreiben von Arbeitsmaschinen der Energieversorgung, insbesondere von elektrischen Generatoren und welche Abwärme zu Heizzwecken ausgenutzt wird, gekennzeichnet 'du r Ch die Kombination folgender Maßnahmen:a) Während Zeiten geringen Energiebedarfes, insbesondere nachts, wird die Wärmekraftanlage (2) stillgesetzt oder bei geringer Teillast gefahren, Wasserstoff in einen wassersto ffaufnähme fähigen Metal 1hydridspeicher (15 oder 14) geleitet, darin chemisch reversibel gebunden und die dabei freigesetzte Bindungsenthalpie zu Heizzwecken ausgenutzt (Ladezeit);b) während Zeiten höheren linergiebedarfes, insbesondere tagsüber, wird^die Wärmekraftanlage (2) bei höheren Lastzuständen in Betrieb gehalten, Wasserstoff aus einem uassersto ffabgabefähigen Metal 1hydridspeicher (13 oder 14) entnommen und die dafür erforderliche Preisetzungsentha1 pie durch Abwärme der Wärmekraftanlage (2) oder durch Umgebungsluft (28) aufgebracht (fintleerungszeit).909834/0356 ^ ,NSPECTEDDa im 12 οίο/Ι2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmekraftanlage (2) mit einem Wasserstoff wenigstens enthaltenden gasförmigen Kraftstoffgas betrieben wird, daß dicse.r dem Metallhydridspeicher f T oder H) während der Ladezeit zugeleitet wird, welcher aus dem Kraftstoffgas selektiv den Wasserstoff bindet und daß der während der Ent 1eerungszeit des Metallhydridspeichers C 7 3 oder 14) freigesetzte Wasserstoff zum Betrieb der Wärmekraftanlage (2) als Kraftstoffgas verwendet oder mitverwendet wird.5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e .kennzeichnet , daß Metallhydridspeicher (13 und 14) unterschiedlicher Temperaturniveaus gleichzeitig verwendet werden und damit ein breiteres Temperaturspektrum beim Anfall von Abwärme (19, 21) der Wärmekraftanlage (2) abgedeckt wird.4. Verfahren nach Anspruch 3,- dadurch gekennzeichnet , daß die Freisetzungsenthalpie eines Metallhydridspeichers (23) mit niedrigem Temperaturniveau (Niedertemperaturspeicher) während der Entleerungszeit durch Umgebungsluft (28) aufgebracht wird und daß die dabei unter Umgebungstemperatur abgekühlte Luft wenigstens mittelbar zum Kühleji von Räumen oder Gütern unter Umgebungstemperatur genutet wird (3o.909834/035SDa im IJ olo/l5". Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e kennzei chnet , daß während Zeiten geringen Energiebedarfes die Wärmekraftanlage (2) stillgesetzt oder bei niedriger Teillast betrieben wird und daß Wasserstoff von einem wasserstoffabgabefähigen Niedertemperaturspeicher (14) in einen wasserstoffaufnahme fähigen Hochtemperaturspeicher (13) umgefüllt wird, wobei wenigstens der den" Betrag der im Niedertemperaturspeicher (14) benötigten Freisetzungsenthalpie übersteigende Betrag an im Hochtemperaturspeicher (13) freigesetzter Bindungsenthalpie zu Heizzwecken ausgenutzt wird.6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer gegebenenfalls örtlich getrennt angeordneten Wasserstofferzeugung ζ. B. in Form von Steamreforming, Kohlevergasung oder Spaltvergasung, dadurch gekennzeichnet , daß die bei der Wasserstofferzeugung anfallende Abwärme zu Heizzwecken ausgenützt wird.7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Abwärme ebenfalls in Metallhydridspeichern zwischengespeichert und zeitlich nach Maß-" gäbe des Bedarfes an Wärmeverbraucher abgegeben wird.8. Heizkraftwerk mit einer sowohl mechanische Antriebsenergie als auch Abwärme erzeugenden Wärmekraftanlage, insbesondere einer Brennkraftmaschine, welche antriebsmäßig mit einer Arbeitsmaschine der Pinergieversorgung, insbesondere mit09834/0356naim 12 o16/4 .einem elektrischen Generator gekoppelt ist und deren Abwärme erzeugende Stelle in wärmeaustauschender Verbindung wenigstens mittelbar an Wärmeverbraucher gekoppelt sind, d a d ü r c h g c k e η η ζ c i c h η e t , daß wenigstens ein kühl- und heizbarer wasserstoffdicht gekapselter Metallhydridspcicher (13 oder 14) mit Gaszu- bzw. -abfuhr vorgesehen ist, an den wahlweise die Wärmeverbraucher (11) oder die Abwärme erzeugenden Stellen (19, 21) der Kraftanlage (2) wärmeübertragend anschließbar sind und daß die Metallhydridspeicher (15, 14) gasseitig wahlweise entweder mit einer Wasserstoff wenigstens enthaltenden Gasquelle (4) oder mit einem Verbraucher (2) von Wasserstoff anschließbar sind.9. Heizkraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmekraftanlage (2) auf Gasbetrieb ausgelegt und der Wasserstoff-Verbraucher bzw. ein Verbraucher von Wasserstoff wenigstens enthaltendem Gas ist.1o. Heizkraftwerk nach Anspruch 8 oder 9 mit einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Metallhydridspeicher (14) mit niedrigem Temperaturniveau (Niedertemperaturspeicher) und ein Metallhydridspeicher (13) mit hohem Temperaturniveau (Hochtemperaturspeicher) vorgesehen ist und daß der Kühlkreislauf C21, 22) der Brennkraftmaschine (2) wärmeaustauschend an den Niedertemperaturspeicher (14) und der Abgasstrom (19) der Brennkraftmaschine (2) wärmeaustauschend an den Hochtcmperaturspeichcr (13) ankoppelbar ist.909834/0356•C. üaim 12 o16/411. Heizkraftwerk nach Anspruch lo, dadurch g e k e ii η zeichnet , daß der oder ein Niedertemperaturspeicher (23) wenigstens.mittelbar mit Umgebungsluft (28) im Wärmeaustausch schaltbar ist.12. Heizkraftwerk nach Anspruch Io oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Niederteniperaturspcieher (14) und der Hochteinperaturspe Icher (13) gasseitig miteinander koppel bar sind.13. Heizkraftwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle oder zusätzlich zu einem elektrischen Generator (3) auch eine Wärmepumpe (37) an die Wärmekraftanlage (2) ankoppelbar ist.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß zu Zeiten geringen oder gar keines elektrischen Finergiebedarfes die mechanische Antriebsenergie der Wärmekraftanlage (2) zum Antreiben einer Wärmepumpe (37) und somit zur Gewinnung von Wärmeenergie aus der Umgebungswärme ausgenutzt wird.909834/0358
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8330 | Complete renunciation |