DE4333829A1

DE4333829A1 - Verfahren und Anlage zur Speicherung von Wärmeenergie

Info

Publication number: DE4333829A1
Application number: DE4333829A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Bachert; Helmut Prof Dr Stach
Original assignee: AUF ADLERSHOFER UMWELTSCHUTZTE
Current assignee: AUF ADLERSHOFER UMWELTSCHUTZTE
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1995-04-06

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie. Diese Anlage kann sowohl mit Wärme aus Solarkollektoren als auch mit konventionel len Energiequellen wie industrieller Abwärme oder mit Elektro energie betrieben werden.

Es ist bekannt, daß bei der Adsorption geeigneter Arbeitsmittel an bestimmten Festkörpern Wärme freigesetzt wird. Beispielsweise sind Molekularsiebe, Zeolithe und Aktivkohle Stoffe, die andere Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Auf nahme von Wärmeenergie desorbieren können, wodurch die Möglich keit der Energiespeicherung über beliebige Zeiträume gegeben ist. Ähnliche thermochemische Speicherprozesse laufen auch bei der Absorption und der Chemisorption bestimmter Stoffe in geeig neten chemischen Verbindungen ab. Nachfolgend werden alle diese Prozesse zusammenfassend als Sorptionsprozesse bezeichnet.

Eine effiziente Aufnahme von Wärmeenergie erfordert zur Verrin gerung von Wärmeverlusten während des Desorptionsprozesses, d. h. der Wärmeaufnahme, eine wärmeisolierte Konstruktion des Spei cherbehälters. Diese Isolation ist jedoch im Gegensatz zu Spei chern sensibler Wärme, wie beispielsweise den herkömmlichen Warmwasserspeichern, wegen der verlustfreien rein physikalisch chemischen Langzeitspeicherung von Wärmeenergie, die sich aus dem Prinzip der Sorptions-Desorptions-Prozesse ergibt, für die eigentliche Speicherung nicht erforderlich. Beim Sorptionsprozeß soll andererseits die entstehende Wärme mit Hilfe eines Wärme trägermediums möglichst verlustarm zum Verbraucher befördert werden, was wiederum eine Isolation erfordert. Für den Wärme transport wird als Wärmeträgermedium üblicherweise Wasser einge setzt. Im Falle der hier betrachteten Prozesse erweisen sich jedoch die erheblichen Temperaturunterschiede, die bei den be kannten, an sich geeigneten Stoffen zwischen günstigen Desorp tionstemperaturen (im allgemeinen über 100°C) und den bei der Sorption erzielbaren Temperaturen (bei einer Ausgangstemperatur von 20°C werden typische Werte zwischen 50 und 80°C erreicht) liegen, als äußerst nachteilig. Dadurch wird die Nutzung von Wasser als Transportmedium für die Wärme insbesondere in der Desorptionsphase stark eingeschränkt.

Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch eine Reihe von Veröffentlichungen zur Anwendung chemischer Verbindungen für die Speicherung von Wärmeenergie durch die Nutzung verschiedenster Desorptionsprozesse, vgl. DE 27 20 561 oder DE 41 26 360, die Systeme zur effizienten Wärmeenergieaufnahme u. a. in Verbindung mit Kühlsystemen beschreiben. In Firmenschriften, z. B. der Fir men Dornier-Prinz, Solartechnik: "Sonnenenergie optimal nutzen mit dem Vakuum-Röhren-Kollektor LUX 2000", Klöckner Wärmetech nik: "Klöckner Solar-Heizsystem Astron" oder Thermo Solar Ener gietechnik: "Vakuum-Flachkollektor HVL" werden die Eigenschaften ausführlich dargestellt. Darüber hinaus liegt umfangreiche wis senschaftliche Literatur vor, wie beispielsweise Passos u. a., "Simulation of an Intermittent Adsorptive Solar Cooling System", Solar Energy, 42 (2), 103 (1989) oder Kose, "Solaranlage, Bei spiel mit Schichtenladung", Sonnenenergie, 17 (2), 44 (1992).

Allen Systemen gemeinsam ist das Bemühen um eine möglichst opti mierte Wärmeaufnahme durch Vermeidung von Wärmeleitungs- und Strahlungsverlusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen, die alternierend eine Sorptions- und Desorptionsphase eines Arbeitsmittels an einem als Speichermedium geeigneten Sorptionsmittel ermöglicht und die Übertragung sowohl der zuge führten als auch der rückgewonnenen Wärme mit Hilfe eines einzi gen Wärmeträgermediums auch bei hohen Temperaturen gewährlei stet. In der Desorptionsphase, während der je nach bevorzugtem Arbeitsmittel Temperaturen bis zu 250°C auftreten, wird eine möglichst effektive Wärmeenergieaufnahme angestrebt und mit dem gleichen Wärmeträgermedium in der Sorptionsphase eine möglichst effektive Wärmeenergieabgabe an vorgegebene Verbraucher.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Speicherung von Wärmeenergie mittels eines Wärmeenergiespeichers, der alternie rend Wärmeenergie mit Hilfe eines Wärmeträgers vornehmlich als Sonnenenergie aufnimmt und über diesen auch wieder abgibt, ist dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich an die Wärmeenergiezufuhr gekoppelt der Wärmeträger Wärmeenergie an ein vorzugsweise ther mochemisches Speichermaterial abgibt, in welchem die Wärmeener gie zur Desorption eines Arbeitsmittels genutzt wird und im um gekehrten Fall der Sorption der gasförmigen Phase dieses Ar beitsmittels wieder an den Wärmeträger abgegeben wird.

Der Wärmeenergie-Aufnehmer 1 ist Bestandteil der erfindungsge mäßen Anlage, die alternierend eine Sorptions- und Desorptions phase eines Arbeitsmittels an mikroporösen Festkörpern wie bei spielsweise Zeolithen oder anderen adsorbierenden, absorbieren den oder chemisorbierenden Stoffen ermöglicht, die sich im Ad sorber 2 befinden. Zur Vermeidung von Energieverlusten durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung ist der eigentliche Wärmeener gie-Aufnehmer 1 in einem thermisch isolierten Gehäuse unterge bracht.

Der Wärmeträger besteht vorzugsweise aus einem Wärmeträgeröl und die thermochemischen Speichermaterialien sind Molekularsiebe.

Der erfindungsgemäßen Anlage liegt folgende Funktionsweise zu grunde:
In der Desorptionsphase wird dem Wärmeenergie-Aufnehmer 1 Wärme energie, beispielsweise durch ein im Solarkollektor 5 erwärmtes Wärmeträgeröl, zugeführt. Die umgebende Wärmeisolation 3 verhin dert dabei die Ableitung von Wärmeenergie an die Umgebung über das Gehäuse.

Die nach Beendigung der Desorptionsphase des Adsorbers 2 bzw. der Wärmeenergiespeicherung noch vorhandene sensible Wärme des Wärmeträgermediums und des gesamten Speicheraggregates wird einem konventionellen Warmwasserspeicher 18 in dessen kalten Teil zugeführt und dadurch genutzt. Ebenso wird über die zur De sorption erforderliche Wärmemenge hinausgehende Wärme bei Bedarf zur Erwärmung des angeschlossenen Warmwasserspeichers 18 verwen det. Erfolgt keine weitere Energiezufuhr und besteht kein Wärme bedarf, so wird das Umlaufsystem abgeschaltet und der Speicher kann beliebig lange in dem aufgeladenen Zustand verharren. Wird Wärme benötigt, beispielsweise nachts oder im Winter, öffnen entsprechende Ventile 8; 9; 10; 11 die Zufuhr des während der Desorptionsphase ausgetriebenen Arbeitsmittels zum Speichermate rial. Während der Sorption entstehende Wärme wird vom Wärmeträ ger aufgenommen und mittels geeigneter Ventilstellungen bei spielsweise zum Warmwasserspeicher 18 transportiert.

Zur beispielhaften Nutzung in Verbindung mit einem Kühlaggregat ist die Anordnung mit einem an sich bekannten, z. B. in DE 35 12 805 beschriebenen System über eine Leitung 12 verbun den. In einem Kondensator 14 kondensiert in der Desorptionsphase das ausgetriebene dampfförmige Arbeitsmittel unter Abgabe eines Teils seiner Wärmeenergie, die ihrerseits wiederum auch direkt bei entsprechendem Bedarf dem Warmwasserspeicher 18 zur Verfü gung gestellt wird, und gelangt in den Verdampfer 15, der einen geringeren Innendruck aufweist als der Wärmeenergie-Aufnehmer 1. in der auf die Desorptionsphase nach Abkühlung des Adsorbers 2 durch geeignete Ventilstellungen möglichen Adsorptionsphase ent steht im Verdampfer 15 ein Unterdruck, infolgedessen die Ver dampfungswärme des Arbeitsmittels dem Kühlbehälter 16 entzogen wird. Dadurch kann das im Verdampfer 15 befindliche gasförmige Arbeitsmittel in den im Wärmeenergie-Aufnehmer 1 befindlichen Adsorber 2 transportiert werden. Dieser Prozeß entzieht dem Kühlbehälter 16 die nutzbare Wärmemenge und dient zugleich der Erzeugung von Wärme im Wärmeenergie-Aufnehmer 1.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel ohne einschränkenden Charakter näher erläutert.

Beispiel

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage zeigt die Verbindung eines Wärmeenergie-Aufnehmers 1 mit einem Solarkollektor 5, einem Kühlaggregat 16 und einem herkömmlichen Warmwasserspeicher 18. Den Wärmeträgerkreislauf bewirkt die Wärmeträgerpumpe 4. Die Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten des beispielhaften Systems erfolgt durch die Dreiwegeventile 8; 9; 13 sowie die Vierwegeventile 10; 11.

In der Desorptionsphase wird im Solarkollektor 5 erwärmtes Wär meträgeröl über die Leitung 7 und die entsprechend geschalteten Ventile 8; 9 mit Hilfe der Wärmeträgerpumpe 4 dem Wärmeenergie- Aufnehmer 1 zugeführt. Dabei gibt es einen Teil der transpor tierten Wärmemenge an einen Adsorber 2 ab und gelangt über die Ventile 11 und 10 und Leitung 6 wieder in den Solarkollektor 5. Das aus dem Adsorber 2 desorbierte Arbeitsmittel gelangt über Leitung 12 und das entsprechend geschaltete Ventil 13 in den Kondensator 14, wird unter Wärmeenergieabgabe verflüssigt und im Verdampfer 15 gelagert.

Wenn die Desorptionsphase abgeschlossen ist, wird durch Umschal ten der Ventile 9; 11; 10 die Wärmeenergie des Solarkollektors 5 über den Wärmetauscher 17 zur Erwärmung des im Warmwasserspei cher 18 befindlichen Brauchwassers direkt genutzt. Aus dem Warm wasserspeicher 18 werden über die Leitungen 19; 20 Verbraucher versorgt.

Ebenfalls nach Abschluß der Desorptionsphase kann die im Wärme energie-Aufnehmer 1 vorhandene sensible Wärme mit Hilfe des Wärmeträgeröls über die geeignet zu schaltenden Ventile 9; 8; 10; 11 in ähnlicher Weise zur Erwärmung des im Warmwasserspei cher 18 befindlichen Brauchwassers verwendet werden.

Benötigt der Warmwasserspeicher 18 keine Energie, wird das Gesamtsystem für beliebige Zeit, beispielsweise durch Abschalten der Wärmeträgerpumpe 4, stillgelegt.

Wird beispielsweise nachts oder - bei größeren Anordnungen - im Winter Wärmeenergie benötigt, wird dem Wärmeenergie-Aufnehmer 1 über Leitung 12 und das entsprechend geschaltete Ventil 13 das im Verdampfer 15 gespeicherte Arbeitsmittel gasförmig zugeführt. Die bei Adsorption am Adsorber 2 entstehende Wärme teilt sich dem Wärmeträgeröl mit und erwärmt mit Hilfe der Pumpe 4 und der Ventile 9; 8; 10; 11 über den Wärmetauscher 17 den Warmwasser speicher 18 so lange, wie eine Adsorption unter Wärmeabgabe bei Temperaturen oberhalb der des Brauchwassers am Ort des Wärmetau schers 17 möglich ist. Ist diese Temperatur erreicht, muß eine erneute äußere Wärmezufuhr den Desorptionsprozeß ermöglichen.

Bezugszeichenliste

1 Wärmeenergie-Aufnehmer
2 Adsorber
3 Wärmedämmung
4 Wärmeträgerpumpe
5 Solarkollektor
6 Leitung
7 Leitung
8 Dreiwegeventil
9 Dreiwegeventil
10 Vierwegeventil
11 Vierwegeventil
12 Leitung
13 Dreiwegeventil
14 Kondensator
15 Verdampfer
16 Kühlaggregat
17 Wärmetauscher
18 Warmwasserspeicher
19 Leitung
20 Leitung

Claims

1. Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie mittels eines Wär meenergiespeichers, der alternierend Wärmeenergie mit Hilfe ei nes Wärmeträgers vornehmlich als Sonnenenergie aufnimmt und über diesen auch wieder abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich an die Wärmeenergiezufuhr gekoppelt der Wärmeträger Wärmeenergie an ein vorzugsweise thermochemisches Speichermaterial abgibt, in welchem die Wärmeenergie zur Desorption eines Arbeitsmittels ge nutzt wird und im umgekehrten Fall der Sorption der gasförmigen Phase dieses Arbeitsmittels wieder an den Wärmeträger abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger ein Wärmeträgeröl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermochemischen Speichermaterialien Molekularsiebe sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel als Kältemittel geeignet ist und in der Sorp tionsphase mit ihm ein Kühlaggregat betrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger sowohl zur Desorption des fluiden Arbeitsmittels als auch zur Wärmegewinnung infolge Sorption sowie zur Wärme übertragung auf einen herkömmlichen Speicher sensibler Wärme ge nutzt wird.

6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Wärmeträger-Aufnehmer (1), einen Kondensator (14) und einen Warmwasserspeicher (18) umfaßt, wobei die in der Desorptionsphase im Wärmeträger-Aufnehmer und/ oder im Kondensator entstehende sensible Wärme einer Nutzung im Warmwasserspeicher zugeführt wird.